Дослідження особливостей залежності заряду перемикання від прямого струму для епітаксіальних p-i-n структур різних типів та розмірів

Дослідження особливостей залежності заряду перемикання від прямого струму для епітаксіальних p-i-n структур різних типів та розмірів

Міністерство освіти та науки України

Запорізький національний університет

До захисту допущена

Зав. кафедрою ТЕМ

кандидат ф. м. наук, доцент

ДИПЛОМНА РОБОТА

ДОСЛІДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ ЗАЛЕЖНОСТІ ЗАРЯДУ ПЕРЕМИКАННЯ ВІД ПРЯМОГО СТРУМУ ДЛЯ ЕПІТАКСІАЛЬНИХ P-I-N СТРУКТУР РІЗНИХ ТИПІВ ТА РОЗМІРІВ

Виконала,

Науковий керівник,

старший викладач

Нормоконтролер,

асистент

2009

Реферат

Дипломна робота містить: 54 стор., 27 рис., 9 табл., 12 джерел.

Досліджувались особливості залежності заряду перемикання від прямого струму для епітаксіальних та дифузійних p-i-n структур різних типів та розмірів.

Метою роботи є виявлення особливості залежності  та порівняти їх з аналогічною залежністю для дифузійних структур.

Завдання: вивчити фізику перехідних процесів в н/п діодах; освоїти установку для дослідження Qп; вивчити методику виміру Qп; виконати вимірювання та одержати графіки залежностей ,, ,  та  ; провести аналіз отриманих результатів.

ДІОД, ЧАС ЖИТТЯ, ЗАРЯД ПЕРЕМИКАННЯ, ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ, ПРЯМІЙ СТРУМ, ЗВОРОТНИЙ СТРУМ, НЕРІВНОВАЖНІ НОСІЇ ЗАРЯДУ, P-N ПЕРЕХІД, РЕЖИМ ПЕРЕМИКАННЯ, РЕКОМБІНАЦІЯ, ІМПУЛЬС, АМПЛІТУДА

Зміст

Реферат

Перелік умовних позначок, символів, одиниць, скорочень і термінів

Вступ

1 Напівпровідниковий діод

1.1 Загальні відомості

1.2 Вах напівпровідникового діода

1.3 P-i-n структури

2 Робота напівпровідникового діода в режимі перемикання

2.1 Фізичний механізм перемикання

2.2 Заряд перемикання

3 Особливості перемикання для діодів різних конструкцій

3.1 Сплавні діоди

3.2 Точкові діоди

3.3 Дифузійні діоди

3.4 Епітаксіальні діоди

4 Експерименти по визначенню заряду перемикання досліджуваних діодів

4.1 Експериментальна установка

4.2 Методика експерименту

5 Отримані результати та їх аналіз

6 Охорона праці

Висновки

Перелік посилань

Перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів

Н.Н.З. - нерівноважні носії заряду

iзв -зворотний струм

iпр -прямий струм

Qп - заряд перемикання

- накопиченний заряд

d- діаметр структури

t - час життя н.н.з.

Вступ

Прогрес найважливіших областей нової техніки в значній мірі зобов’язаний напівпровідниковій електроніці. Успіхи останньої базуються на досягненнях техніки та технології одержання напівпровідникових кристалів високого ступеня чистоти і структурної досконалості, а також на підвищенні ефективності лабораторного та промислового контролю їх якості.

При контролюванні напівпровідникових виробів розглядаються їх електрофізичні параметри, до яких відносяться концентрація основних та неосновних носіїв заряду, рухливість і коефіцієнт дифузії основних та неосновних носіїв заряду, час життя нерівноважних носіїв заряду та концентрація донорних та акцепторних домішок.

Одним з найважливіших параметрів напівпровідникових матеріалів є час життя нерівноважних носіїв заряду.

Методи виміру часу життя нерівноважних носіїв заряду є основними методами контролю якості напівпровідникових матеріалів і структур, що містять p-n перехід, на основі яких виготовляють різні види напівпровідникових приладів і мікросхем, а також складають основу багатьох експериментальних методів дослідження в області фізики напівпровідників.

1. Напівпровідниковий діод

1.1 Загальні відомості

Напівпровідниковим діодом називають нелінійний електронний прилад з двома виводами. Діод частіше всього має структуру, на основі p-n переходу (рис1.1,а), іноді на основі випрямляючого контакту метал-напівпровідник (рис1.1,б). Окрім випрямляючого контакту у напівпровідниковому діоді з p-n переходом або з гетеропереходом повинно бути ще два невипрямляючих контакти, завдяки яким область напівпровідника з'єднується з виводами. Якщо в діоді застосовано випрямляючий контакт метал - напівпровідник, тоді невипрямляючий контакт всього один.

Рисунок 1.1 - Структури напівпровідникових діодів: а) -з p-n переходом; б) -з випрямляючим контактом метал-напівпровідник; В-випрямляючий контакт; Н- невипрямляючий контакт

В багатьох випадках напівпровідникові діоди роблять несиметричними, тобто концентрація домішок в одній з областей значно більша, ніж в іншій.

Отже, кількість неосновних носіїв, що інжектуються з сильно легованої області до слабо легованої(бази), значно більша, ніж в протилежному напрямку.

По типу матеріалу діоди поділяються на дві основні групи: кремнієві та германієві. Кремнієві діоди мають ряд суттєвих переваг порівняно з германієвим, оскільки фізичні властивості кремнію дозволяють одержувати p-n перехід з великою допустимою зворотною напругою; для кремнієвих діодів це напруження складає 1000…1500В,а для германієвих -100…400В.

Існують також діоди на основі контакту метал - напівпровідник (діод Шотки), на основі p-n переходу та p-i-n діоди. Ми розглядатимемо тільки два останні класи.

Основна область застосування діодів-схеми випрямляючих пристроїв. Окрім того, діоди широко використовуються в різних схемах автоматики, електроніки, радіотехніки і т.д.

1.2 ВАХ напівпровідникового діода

Залежність постійного струму через напівпровідниковий діод від напруги, або вольт - амперна характеристика звичайно має вид, що показаний на рис.1.2

Рисунок 1.2 - Вольт - амперна характеристика напівпровідникового діода

Вид вольт - амперної характеристики визначається багатьма факторами, відносний вплив яких розрізняється в залежності від конструкції діода, властивостей напівпровідникового матеріалу, стану поверхні напівпровідника, температури зовнішнього середовища і т.д.

При нульовій зовнішній напрузі на діоді з p- n переходом в області переходу існує потенційний бар’єр, завдяки якому струм дрейфу та дифузії урівноважують один одного. Якщо до виводів діода прикласти зовнішню напругу, то рівновага буде порушена. Дисбаланс, що виникає між струмом дифузії та струмом дрейфу, викличе рух носіїв заряду через перехід. Якщо прикладена напруга буде знижувати різність потенціалів в області переходу, тоді струм дрейфу зменшиться і буде переважати струм дифузії дірок і електронів через перехід. В цьому випадку кажуть, що діод має пряме зміщення. Якщо ж прикладена напруга підвищує різницю потенціалів на переході, то буде лише невеликий струм насичення, зобов’язаний своєю появою народженню електронно - дірочних пар біля переходу внаслідок термогенерації. Діод при цьому знаходиться у стані зворотного зміщення.

ВАХ p-n діода описується виразом:

,(1.1)

- при U100мВ:

(1.2)

- при U-100мВ: (1.3)

1.3 P-i-n структури

У діоді з p-i-n структурою при прямому зміщенні відбувається інжекція дірок із р+-шару та електронів із n+-шару в і-область /подвійна інжекція/. Інжектовані дірки, дифундуючи крізь базу, частково рекомбінують з електронами, а їх залишок переходить в n+-область, де рекомбінація завершується швидше, внаслідок великої концентрації електронів. Аналогічно відбувається рух інжектованих електронів з n+-області через базу в р+-область.

Досить широке використання знайшли перемикаючі p-i-n діоди, за допомогою яких вдається керувати порівняно високими рівнями СВЧ потужності. Схема найпростішої p-i-n структури зображена на рис.1.3.

Рисунок 1.3 - Схема структури p-i-n діода

Напівпровідник дійсно і-типа отримати практично неможливо; як би ретельно не очищався Si, в ньому завжди залишиться певна ,хай і невелика кількість домішки.

Кремній, з якого виготовляють p-i-n діоди, майже завжди р-типу, концентрація акцепторів в ньому дуже мала - .Концентрація донорів в n- області і акцепторів в р- області перевищують .Структура, що зображена на рис.1.3, використовується в потужних p-i-n діодах з товщиною і- області 10…400 мкм та з площею від долей до одиниць квадратного міліметра.

При аналізі принципу дії перемикаючих діодів викликають інтерес в першу чергу два крайніх випадки. Перший з них - режим прямого зміщення, коли через діод проходить прямий струм та опір напівпровідникової структури діода малий. Другий випадок - режим зворотного (або нульового) зміщення, характеризується великим опором структури діода. Перехід з одного режиму до іншого виконується стрибком. Такі перемикаючі режими роботи характерні майже для всіх видів пристроїв, де використовуються перемикаючі діоди.

В режимі прямого зміщення значно збільшується ємність структури, що означає зменшення її опору на СВЧ. Тому при прямому зміщенні цю ємність можна не враховувати і еквівалентна схема діода приймає вигляд, показаний на рис.1.4,а

Рисунок 1.4 - Еквівалентні схеми перемикаючого діода

Опір  в цій схемі - прямий опір втрат перемикаючого діоду - є одним з параметрів, що характеризують якість перемикання діода. Значення  залежить від струму прямого зміщення.

Еквівалентна схема для зворотного та нульового зміщення зображена на рис.1.4,б. ЇЇ також можна представити і у вигляді паралельної схеми рис.1.4,в. Обидві ці схеми повністю рівноцінні - при однаковій напрузі та частоті струм на вхідних затискачах має однакові амплітуду і фазу. Опір  - зворотній опір втрат перемикаючого діода для послідовної еквівалентної схеми, а - зворотній опір втрат для паралельної схеми. Ці опори - параметри перемикаючого діода , що характеризують його якість.

ВАХ тонкої p-i-n структури описується виразом:

(1.4)

Р-i-n структури можуть бути виготовлені за епітаксіальною технологією, за дифузійною технологією, або за їх комбінацією.

2. Робота напівпровідникового діода в режимі перемикання

2.1 Фізичний механізм перемикання

Під впливом позитивної вхідної напруги через діод протікає прямий струм, величина якого визначається амплітудою імпульсу, опором навантаження і прямою провідністю діода (рис. 2.1). У момент, коли вхідна напруга змінює свою полярність, можна було б очікувати, що струм через діод також миттєво змінить свій напрямок, а по величині буде дорівнювати статичному зворотному струмові діода iзв. Однак практично, у перший момент спостерігається різке збільшення зворотного струму через діод i1 , і лише поступово з плином часом він зменшується до значення, рівного iзв.

Рисунок 2.1- Схема перемикання й осцилограми вхідної напруги і струму через діод

Наслідком перехідного процесу, що спостерігається, є ефект нагромадження і розсмоктування нерівноважних носіїв заряду в базі діода. Тривалість етапу розсмоктування прямо пропорційна часу життя дірок у базі і залежить від співвідношення прямого iпр і зворотного iзв струмів, що проходять через діод. З ростом iпр заряд, накопичений у базі дірок, зростає, що при незмінному струмі iзв приводить до збільшення tроз. При незмінному струмі iпр час розсмоктування тим менше, чим більше зворотний струм iзв. Тривалість tроз можна визначити з наступного трансцендентного рівняння:

 , (2.1)

де

 - функція помилок (error function).(2.2)

Рисунок 2.2-Схема діода та вид розподілу рівноважних концентрацій носіїв заряду в p- та n- областях (а); розподіл дірок у різні моменти після перемикання (б)

Відомо, що при подачі на діод рис. 2.2, а прямого зсуву p-n перехід інжектує в область бази дірки, що під дією дифузії переміщаються в напрямку базового омічного контакту. У процесі дифузії частина інжектованих дірок рекомбінує з електронами бази, тому концентрація надлишкових дірок зменшується в міру віддалення від р-n переходу. При тривалому протіканні прямого струму процес рекомбінації дірок у базі врівноважується їхньою інжекцією р-n переходом. Виникає деякий сталий стан, що характеризується таким розподілом дірок, , який на рис. 2.2, б зображений кривою при t = 0. Повна кількість дірок у базі діода при протіканні прямого струму значно більше, ніж у випадку, коли струм через діод не протікає. Відбувається накопичення дірок або, оскільки дірки можна вважати зарядженими частками, накопичення заряду. При зсуві р-n переходу в зворотному напрямку дірки з базової області безперешкодно переходять у р - область. Величина виникаючого унаслідок цього зворотного струму залежить від концентрації дірок біля р-n переходу з боку бази. Чим більше ця концентрація, тим більше і зворотний струм, при цьому байдуже, що з'явилося причиною зростання числа вільних дірок - вплив світла, підвищення температури або ефект накопичення заряду.

Концентрація накопичених дірок поблизу р-n переходу звичайно досить велика, і велика також швидкість їхнього переміщення в р-область, тому при різкому перемиканні прикладеної до діода напруги через нього міг би протікати значний (теоретично нескінченний) зворотний струм. Іншими словами, відразу після перемикання р-n перехід має нульовий опір.

Завдяки наявності обмежуючого опору Rн зворотній струм через діод відразу після перемикання не може бути нескінченно великим, а дорівнює

, (2.3)

де Uімп - амплітуда імпульсу зворотної напруги на вході схеми рис.2.2, а.

В міру протікання зворотного струму кількість надлишкових дірок у базі зменшується як за рахунок їхнього витягування в р-область, так і внаслідок процесу, що неприпиняється - рекомбінації з електронами.

Розподіл концентрації дірок у різні моменти часу після перемикання показано на рис. 2.2, б. Доти, поки концентрація дірок в точці з координатою x = 0 не знизиться до нуля, через р-n перехід протікає великий зворотний струм, який обмежується лише опором навантаження. Надалі зворотний струм зменшується, досягаючи з часом значення, рівного iзв.

Таким чином, перехідна характеристика діода при перемиканні його з прямого напрямку на зворотний містить в собі дві фази: фазу постійного зворотного струму (або фазу високої зворотної провідності) і фазу спаду (або відновлення) зворотного струму.

2.2 Заряд перемикання

Заряд перемикання - повна величина заряду, що переноситься перехідним зворотнім струмом після перемикання діода з певного прямого струму на імпульсну зворотну напругу.

Вимірювання заряду перемикання виконується за допомогою схеми, яка зображена на рис 2.3

Рисунок 2.3 - Спрощена схема установки для вимірювання заряду перемикання

Коли імпульс від генератора імпульсів зворотної напруги (ГІЗН) не надходить, тоді через діод проходить постійний прямий струм від джерела постійної напруги . При проходженні прямого струму у діоді відбувається накопичення заряду.

Генератор ГІЗН виробляє імпульси напруги, які подаються на діод у зворотному напрямі. Амплітуда імпульсів та їх тривалість підібрані таким чином, щоб за час імпульсу зворотній струм діода міг повністю скомпенсувати накопичений в діоді заряд. Частота проходження імпульсів обирається настільки низкою, щоб за час між імпульсами в діоді встиг накопичитися заряд.

За час проходження в дослідженому діоді (ДД) прямого струму до роз’єднувального діода () напруга прикладена у прямому напрямі, тоді  пройде і через . В той самий час роз’єднувальний діод зачинений, тому що до нього напруга прикладена у зворотному напрямі. Напрям прямого струму вказаний стрілкою. Під час дії імпульсу зворотної напруги відчиняється  і зачиняється . У цьому випадку  проходить через . Щоб накопичення заряду в  і  не заважало роботі пристрою, використовують спеціальні імпульсні діоди , в яких накопичений заряд дуже малий.

Зворотній струм проходить через конденсатор та заряджає його. Заряд, отриманий конденсатором за час імпульсу, дорівнює заряду, який до початку зворотного імпульсу мав ДД. Опір мікроамперметра не викривляє процес передачі заряду від діода до конденсатора, так як він великий. Коли імпульс зворотної напруги закінчиться, то напруга на  знов стає зворотною та коло, яке складалось з конденсатора та мікроамперметра , як би відключається від іншого кола. У конденсатора залишається лише один шлях для розряду - через мікроамперметр.

В якості мікроамперметра використовують прилад постійного струму магнітоелектричної системи. Такі прилади показують середнє значення струму, який змінюється в часі. Заряд перемикання дорівнює середньому значенню струму розряду , який проходить через мікроамперметр, поділеному на частоту проходження імпульсів .

Наведена на рис.2.3 схема зручна для пояснення принципу вимірювання заряду перемикання, але є спрощеною. Реальна схема, яку зображено на рис.2.4, дещо відрізняється .

Рисунок 2.4 - Схема установки для вимірювання заряду перемикання

По-перше, наявністю опору  і ємністю  в колі зворотної напруги. Опір  призначений для забезпечення вихідного опору джерела зворотної напруги в межах, визначених стандартом [5] . Ємність  не дозволяє постійному струму від джерела постійної напруги Е проникнути в генератор імпульсів зворотної напруги, тобто розділяє кола постійного та імпульсного струмів. Опір  визначає величину прямого струму , при якому проводиться вимір заряду перемикання . Ємність  - це паразитна ємність монтажу в точці А. Ємність  тотожня ємності С в схемі рис 2.3.

3. Особливості перемикання для діодів різних конструкцій

Імпульсними називають такі напівпровідникові діоди, які завдяки спеціально прийнятим конструктивно - технологічним заходам можуть працювати в швидкодіючих імпульсних схемах з часом перемикання 1 мксек і менш.

Основною причиною інерційності напівпровідникових діодів при роботі їх в режимі перемикання є ефект накопичення нерівноважних носіїв заряду поблизу p-n переходу. Вивчення основних фізичних закономірностей, пов’язаних з цим ефектом, дозволяє розрахувати інерційність діода в тій чи іншій схемі й знайти технологічні шляхи, які дозволять зменшити ефект накопичення й підвищити швидкодію діода. Крім того, важливу роль в інерційності діода грає бар’єрна ємність p-n переходу. Оскільки мале значення бар’єрної ємності є типовим і для високочастотних діодів, у ряді випадків окремі типи цих приладів з успіхом використовуються в імпульсних схемах. Відомо, що роль ефекту накопичення нерівноважних носіїв заряду слабшає при зменшенні їх часу життя. Зниження величини бар’єрної ємності досягається зменшенням площі p-n переходу.

Таким чином, головні ознаки, що відрізняють імпульсні діоди від інших діодів, - це мала площа p-n переходу та малий час життя нерівноважних носіїв заряду.

За способом виготовлення p-n переходу імпульсні діоди поділяються на точкові, сплавні, дифузійні та епітаксіальні.

3.1 Сплавні діоди

Отримання електронно - діркових переходів сплавленням - найбільш простий метод виготовлення германієвих та кремнієвих діодів. Перевагою цього методу є відносно простий технологічний процес, який не потребує дорогокоштуючого обладнання, а недоліками - великий розкид параметрів та обмежений частотний діапазон приладів.

Процес сплавлення полягає в тому, в напівпровіднику даного типу провідності створюється область протилежного типу провідності. Для цього у поверхню початкового кристала напівпровідника вплавляють який - небудь елемент III або V групи періодичної таблиці Д.І. Мендєлєєва. Елементи III групи (індій, алюміній, галій, бор) є акцепторами і при сплавленні з електронним напівпровідником утворюють область з дірковим типом провідності. Елементи V групи (сурма, миш’як, фосфор, вісмут ) є донорами і при сплавленні з дірковим напівпровідником утворюють область з електронним типом провідності.

На рис.3.1, зображений сплавний діод.

Рисунок 3.1- Конструкція p-n переходу сплавних діодів

Так, при створенні кремнієвих сплавних імпульсних діодів у кристал кремнію вплавляється кінець тонкої алюмінієвої проволоки. Після охолодження у місці спаю створюється дуже тонкий шар кремнію, збагачений алюмінієм, який ще й має той самий напрямок кристалографічних осей, що й вихідний монокристал. Цей шар називається рекристалізованим. Границя між вихідним монокристалом електронної провідності й сильно легованим р- шаром являє собою p-n перехід.

При створенні аналогічних германієвих діодів замість методу сплавлення у печі використовують метод імпульсної зварки. До кристалу германія ,закріпленого на балоні , підводиться тонка золота голка і через отриманий контакт пропускають імпульс струму великої амплітуди. Завдяки низькій температурі плавлення сплава золото- германій (~370ºС) кінець золотої голки зварюється з германієм. Описанні діоди отримали назву діодів з золотим зв’язком.

У більшості випадків дифузійна довжина носіїв заряду у базі дуже мала (не більше 20-30мкм),так що радіус кривизни фронта вплавлення значно перевищує величину .Тому можна вважати, що сплавні діоди являють собою прилад з плоским p-n переходом.

Важливою характеристикою перехідного процесу в діоді є величина заряду перемикання Qп, що дорівнює повному електричному зарядові, відданому діодом у зовнішнє коло після перемикання і складає частину накопиченого при протіканні прямого струму заряду .

Якщо у колі тече великий струм (), тоді для сплавних діодів заряд перемикання дорівнює:

(3.1)

У площинного сплавного діода , тоді

 (3.2)

При зменшенні струму  величина  зменшується. Залежність  від режиму перемикання при виконуванні нерівності 0,1 <<1 може описана наступною формулою:

Страницы: 1, 2, 3, 4