Расчет параметрів ступенчатого p-n перехода

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУ РАБОТУ

Студент: Сенаторів Д.Г. група 3−4
Тема: «Розрахунок параметрів ступенчатого p-n перехода»
Завдання: Розрахувати контактну різницю потенціалів ?k в p-n-переходе.
Вихідні дані до розрахунку наведені у таблиці № 1.
Таблиця 1. Вихідні данные.
Найменування параметра Одиниці виміру. Умовне позначення Значення в одиницях системи СИ
Абсолютна величина результуючої домішки в эмиттере м-3 NЭ 1,51 025
Абсолютна величина результуючої домішки у базі м-3 NБ 1,81 022
Диэлектрическая стала повітря Ф/м ?0 8,8510−12
Заряд електрона Кл e 1,610−19
Відносна диэлектрическая проникність напівпровідника Ф/м? 16
Постійна Больцмана Дж/К k 1,3810−23
Рівноважна концентрація дірок в n-области м-3 pn0 1010
Рівноважна концентрація дірок в p-области м-3 np0 1,1109
Власна концентрація носіїв заряду м-3 ni 51 014
Температура довкілля K T 290


ОГЛАВЛЕНИЕ.
ЗАПРОВАДЖЕННЯ 4.
ЧАСТИНА I. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА 6.
1.1 Поняття p-n переході 6.
1.2 Структура p-n переходу 10.
1.3 Методи створення p-n переходів 15.
1.3.1 Точкові переходи 15.
1.3.2 Сплавні переходи 16.
1.3.3 Диффузионные переходи 17.
1.3.4 Эпитаксиальные переходи 18.
1.4 Енергетична діаграма p-n переходу в равновесном
стані 20.
1.5 Струми через p-n перехід у равновесном стані 23.
1.6 Методика розрахунку параметрів p-n переходу 26.
1.7 Розрахунок параметрів ступенчатого p-n переходу 29.
ЧАСТИНА II. Розрахунок контактної різниці потенціалів ?k в p-n-переходе 31.
ВИСНОВОК 32.
ДОДАТОК 33.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 35.

ВВЕДЕНИЕ.

Напівпровідники можуть міститися у контакту з металами і деякими іншими матеріалами. Найцікавіше представляє контакт напівпровідника з полупроводником. Цей інтерес зумовлений наступними двома обставинами. Що стосується контакту метал-полупроводник выпрямляющими властивостями контакту можна управляти з допомогою лише одній з половинок контакту, саме, із боку напівпровідника. Факт очевидний хоча із той факт, що все замикаючий (чи антизапирающий1) шар лежать у напівпровідникової області і його товщину, отже, і струм можна регулювати концентрацією носіїв n0, тобто. вибором типу кристала, легированием напівпровідника, температурою, освітленням тощо. Другу у тому, що сьогодні практично поверхні металу і напівпровідника будь-коли утворюють ідеального контакту друг з одним. Завжди з-поміж них перебувають адсорбированные атоми чи іони сторонніх речовин. Адсорбированные верстви екранують внутрішню частина напівпровідника отже фактично вони сьогодні визначають властивості выпрямляющих контактів чи, у разі, істотно впливають на них.

Що стосується контакту полупроводник-полупроводник, обидва нестачі відсутні т.к. здебільшого контакт ведуть у межах монокристала, у якому половина легирована донорной домішкою, інша половина — акцепторной. Є й інші технологічні методи створення электронно-дырочного переходу, які буде розглянуто у цій курсової роботі. З іншого боку, метою проведеного дослідження є визначення основних параметрів і характеристик, і навіть фізичних процесів, що у основі освіти і функціонування p-n-перехода для відповіді основне питання даної роботи: «Яка ширина p-n-перехода?» при заданих вихідних параметрах.
У третій частині даної роботи зроблено спробу пояснити особливості поведінки електрона з урахуванням спина в зовнішньому електричному полі, уведено поняття тонкої структуры.

ЧАСТИНА I. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТЬ.
1.1 Поняття p-n переходе.
Основним елементом великий групи напівпровідникових приладів є электронно-дырочный перехід. Такий перехід є область між двома напівпровідниками різного типу провідності, об'єднану основними носіями заряду. Залежно від характеру розподілу концентрації домішки в об'єднаному p-n шарі переходи бувають ступеневими (різкими) і плавными.
У плавних p-n-переходах зміна концентрації донорних (Nd), і акцепторных (Na) домішкових атомів відбувається з відривом, порівнянному із шириною збідненого шару або перевищує її. У різких p-n-переходах зміна концентрації домішкових атомів від Nd до Na відбувається з відривом, меншому ширини збідненого шару [8]. Різкість кордону грає істотну роль, т.к. в плавному p-n-переходе важко давалися ті вентильні властивості, що необхідні роботи діодів і транзисторів [4].
На рис. 1.1 представлено розподіл зарядів в напівпровідниках при плавному і різкій зміні типу проводимости.
При плавному зміні типу провідності (рис. 1.1. а) градієнт концентрации2 результуючої домішки малий, відповідно малі й диффузионные токи3 електронів і дырок.
Ці струми компенсуються дрейфовыми токами4, які викликані електричним полем пов’язаних з порушенням умови електричної нейтральности:
n + Na = p + Nd, (1.1. 1)
де n і p — концентрація електронів і дірок в полупроводнике:
Na, Nd — концентрація іонів акцепторной і донорной примесей.


Малюнок 1.1 Розподіл домішки носіїв заряду в полупроводнике за зміни типу провідності: (а) плавне зміна типу провідності; (б) різку зміну типу проводимости.
Для компенсації диффузионных струмів досить незначного порушення нейтральності, і умова (1.1. 1) вважатимуться наближено выполненным.
Умова электронейтральности свідчить у тому, що у однорідному полупроводнике незалежно від характеру і швидкості освіти носіїв заряду за умов як рівноважної, не рівноважної концентрації що неспроможні з’явитися суттєві об'ємні заряди протягом часу, більшого (3−5)?? (???10−12 з), крім ділянок малої протяжённости:


де ?? — час діелектричним релаксації; ?0 — диэлектрическая стала повітря;? — відносна диэлектрическая проникність напівпровідника; q — заряд носія заряду (електрона); n0, p0 — равновесные концентрації електронів і дірок в полупроводнике; ?n, ?p — рухливість електронів і дірок в полупроводнике.
При різкій зміні типу провідності (рис. 1.1. б) диффузионные струми великі, та їх компенсації необхідно істотне порушення электронейтральности (1.1. 1).
Зміна потенціалу за глибиною x напівпровідника іде за рахунок експонентному закону:. Глибина проникнення електричного поля була в напівпровідник, Ld, називається дебаевской довжиною й з уравнения:
,
де — температурний потенциал.
У цьому електрична нейтральність істотно порушується, якби дебаевской довжині зміна результуючої концентрації домішки велико.
Отже нейтральність порушується при условии:
(1.1. 2)
У стані термодинамічної рівноваги за відсутності вырождения5 справедливий закон діючих масс:
(1.1. 3)

За умов (1.1. 3) права частина (1.1. 2) сягає мінімуму при тому умова існування переходу (умова істотного порушення нейтральності) має вид:
, (1.1. 4)
де -дебаевская довжина у власній полупроводнике.
Переходи, у яких зміна концентрації домішки за українсько-словацьким кордоном верств p- і n-типа можна вважати скачкообразными називаються ступенчатыми.
У плавних переходах градієнт концентрації домішки конечен, але задовольняє неравенству (1.1. 4).
Практично ступеневими можна вважати p-n-переходы, у яких зміна концентрації домішки істотно змінюється на відрізку меншому Ld.
Такі переходи може бути отриманими шляхом сплавления, эпитаксии.
Стосовно концентрації основних носіїв в шарах p- і n-типа переходи діляться на симетричні і несимметричные.
Симетричні переходи мають однакову концентрацію основних носіїв в шарах (pp? nn). У несиметричних p-n-переходах має місце різна концентрація основних носіїв в шарах (pp > > nn чи nn > > pp), различающаяся в 100−1000 раз [3].

1.2 Структура p-n-перехода.
Найпростіше піддаються аналізу ступінчасті переходи. Структура ступенчатого переходу представлена на рис. 1.2. Практично всі концентрації домішок в p- і n-областях перевищують власну концентрацію носіїв заряду ni. Для визначення будемо думати, що эмиттером є p-область, а базою n-область. У багатьох практичних випадків виконується неравенство

де і -результуючі концентрації домішки в эмиттере і базе.
Малюнок 1.2 відповідає кремниевому переходу (ni? 1010 см-3) при кімнатної температурі (Т=290К) з концентрацією домішки ,.

Малюнок 1.2 Розподіл домішки носіїв заряду в східчастому P-N переході: (а) — полулогарифмический масштаб; (б) — лінійний масштаб.
У глибині эмиттера та фінансової бази концентрація основних носіїв заряду практично збігаються з результуючої концентрацією примеси:
pро =Nэ, nnо=NБ, (1.2. 1)
а концентрація не основних носіїв визначається законом діючих масс:
nр0=ni/pр0=ni/Nэ (1.2.2. а)
pn0=ni/nn0=ni/NБ (1.2.2. б)
Індекси «p» і «n» відповідають p- і n-областям, а індекс «0» відповідає стану термодинамічної рівноваги. Слід зазначити, що концентрація не основних носіїв у базі більше, аніж эмиттере (а при Nэ> >NБ значно більше). На рис. 1.2.а розподіл домішок носіїв заряду представлено в полулогарифмическом масштабе.
Перехід займає область -lр0 < x < ln0. Звісно кордону переходу x=-lp0 і x=ln0 визначені у певної міри умовно, оскільки концентрація основних носіїв змінюється плавно. Проте, з малюнка видно, що вони у невеликому відстані до кордонів всередині переходу виконується равенство: >
P

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой