Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

(МТУСИ)

Факультет "Радио и телевидение"

Кафедра "Электроники"

ОТЧЕТ

по дисциплине "Материалы электронной техники"

на тему:

"Влияние выбора материала на параметры контакта двух полупроводников. Вариант 3"

Выполнил

Проверил

Кандидат технических наук, доцент ____________ В.Н. Каравашкина

Москва 2023

Цель работы

Изучить влияние материала на характеристики идеализированного р-n перехода. Исходные данные: концентрация примесей, площадь перехода. Определяются: контактная разность потенциалов, толщина, тепловой ток, напряжение и тип пробоя, барьерная ёмкость.

Краткая теория

P-n переход является одним из самых распространенных видов контактов, используемых в электронике. Его главным свойством является односторонняя проводимость, т.е. способность хорошо проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения (прямое напряжение). При обратном напряжении ток на несколько порядков меньше.

В идеальном случае p-n переход представляет собой контакт однородных полупроводников p и n типа. Как правило, одна из областей имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси N_д или акцепторной примеси N_а. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область – эмиттером, слаболегированную – базой. Сильнолегированную область обозначают n⁺ или p⁺ :

N_д>>N_а N_а>>N_д

база эмиттер эмиттер база

p n⁺ p⁺ n

На границе p и n областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dn/dx и dp/dx. Поэтому в p-n переходе даже в отсутствие внешнего напряжения происходит диффузия основных носителей в смежную область, т.е. наблюдается диффузионный ток основных носителей. Переход основных носителей в смежную область, где они становятся неосновными, приводит к рекомбинации и, поэтому, к уменьшению концентрации основных носителей. В результате в приграничных областях концентрация свободных электронов и дырок низкая, образуется обедненный слой. Заряды ионов примесей в нём остаются нескомпенсированными. Нескомпенсированные ионы примесей в приграничных областях являются здесь наиболее количественно значимыми зарядами. Эти заряды создают собственное электрическое поле p-n перехода.

Собственное электрическое поле p-n перехода – тормозящее для диффундирующих основных носителей (образует потенциальный барьер). Это же поле вызывает встречный дрейф неосновных носителей, т.е. встречный дрейфовый ток. Возникает устойчивое равновесие диффузионного и дрейфового токов, в результате чего тока во внешней цепи нет. Выравнивания концентраций, как это было бы, например, при диффузии газов, не происходит.

Собственное электрическое поле p-n перехода характеризуют контактной разностью потенциалов _k0. В идеализированном p-n переходе

N_AN_Д

_{k0 =} _T ln ––––– , (1)

n_i²

где _T – термический потенциал, N_A, N_Д – концентрации примесей, – собственная концентрация:

, (2)

где N_C, N_V – эффективные плотности состояний, _З – ширина запрещенной зоны.

Величина_k0примерно соответствует U_пр, при котором электрическое поле перехода исчезает и перестает препятствовать протеканию большого диффузионного тока (прямого тока I_пр). Типичные значения_k0= 0,3 ... 1,5 В.

Протяженность приграничных областей с нескомпенсированными ионами примесей называют толщиной p-n перехода w. Для идеализированного p-n перехода

(3)

где εε₀ – диэлектрическая проницаемость полупроводника, q – элементарный электрический заряд.

От толщины р-n перехода зависит напряженность поля при обратном напряжении E  U_обр/w. Если напряженность превышает критическую E_кр, возникает пробой. Поэтому толщина p-n перехода определяет напряжение пробоя, для увеличения которого одну из областей – базу делают слаболегированной. Типичные значения w = 0,1...2 мкм.

Анализ процессов в идеализированном p-n переходе приводит к так называемой формуле Шокли или теоретической ВАХ:

(4)

где I₀ – тепловой ток (ток насыщения), I и U – ток и напряжение перехода. Величина I₀ определяет величины I_пр и I_обр не только идеализированного, но и в значительной степени реального p-n перехода. Для идеализированного p-n перехода

, (5)

где D – коэффициент диффузии, S – площадь p-n перехода, L – диффузионная длина, N_б – концентрация примеси в базе. Значения I₀ изменяются в больших пределах в зависимости от типа полупроводника, площади, особенностей изготовления и температуры p-n перехода.

В зависимости от толщины p-n перехода в нём возникает лавинный или, в очень тонких p-n переходах, туннельный пробой. Напряжение лавинного пробоя U_проб.л можно рассчитать по приближенной формуле:

(6)

Напряжение туннельного пробоя U_проб.т определяется выражением:

(7)

Возникает тот пробой, напряжение которого меньше. При U_проб.л  U_проб.т характер пробоя – смешанный.

Р-n перехода обладает ёмкостью, т.е. способностью накапливать заряды. Поэтому при изменении внешнего напряжения возникают переходные процессы заряда или разряда этой ёмкости. В результате возникает задержка в процессе установления напряжения и тока, в частности, при отпирании или запирании перехода. Эта задержка определяет быстродействие отдельных элементов и интегральных схем с p-n переходами. Например, при отпирании перехода происходит разряд барьерной ёмкости C_б, от величины которой зависит длительность процесса отпирания. Аналогично проявляет себя диффузионная ёмкость.

Для идеализированного p-n перехода в отсутствие напряжения барьерная ёмкость определяется соотношением

(8)

где S – площадь перехода.

Характеристики реальных p-n переходов оказываются несколько иными из-за влияния сопротивления и неоднородности областей, неидеальности структуры и поверхности полупроводника и других факторов, не учитываемых в идеализированном p-n переходе. Реальные переходы отличаются также намного более сложным влиянием температуры, чем это учитывается в приведённых выше соотношениях.