21.1 Расчет и проектирование диодов полупроводниковых имс.

Полупроводниковые диоды представляют собой электропреобразовательные элементы, имеющие два вывода от р- и n -областей соответственно. В ИМС диоды чаще всего используют в качестве выпрямителей, или элементов с односторонней электропроводностью. Это свойство присуще р-n-переходу, на котором возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению основных носителей заряда. Значение возникающего при этом контактного потенциала φ K возрастает с повышением концентраций примесных атомов с обеих сторон р-n-перехода.Если контактирующие р- и n-облас-ти являются невырожденными, то

Максимально возможное значение контактного потенциала φ K для этого случая определяется шириной запрещенной зоны полупроводника:

Температурная зависимость контактного потенциала определя-ется в основном изменением собственной концентрации подвижных носителей заряда, которая сильно зависит от температуры:

где А — некоторая постоянная величина, определяемая свойствами полупроводникового материала.

Зависимость постоянного тока , протекающего через р-n-переход, от приложенного к нему постоянного напряжения описывается идеализированным теоретическим соотношением:

21.2 Расчет и проектирование диодов полупроводниковых имс.

где I S — ток насыщения.

Этот ток обусловлен дрейфовым перемещением через р-n-переход неосновных носителей заряда:

При достаточно большом напряжении обратного смещения в р-n-переходах могут проявляться три механизма пробоя:

− лавинный,

− туннельный,

− тепловой.

Для маломощных диодов, используемых в качестве выпрямителей ИМС, наиболее типичным является лавинный пробой, обусловленный размножением носителей заряда в области переходного слоя р-n-перехода при высокой напряженности электрического поля за счет ударной ионизации.Туннельный пробой возникает непосредственно при воздействии сильного электрического поля на кристаллическую решетку полупроводникового материала. Для возникновения туннельного пробоя необходим высокий уровень легирования хотя бы одного из контактирующих материалов, образующих диодный р-n-переход. Для кремниевых р-n-переходов этот механизм пробоя наблюдается при уровне легирования порядка 1019 см −3 и напряжении обратного смещения U>5 В.

Тепловой пробой чаще всего наблюдается в мощных выпрямительных диодах и связан с нарушением теплового

21.3 Расчет и проектирование диодов полупроводниковых имс.

равновесия, при котором выделяемое в р-n-переходе количество теплоты превышает отдаваемое окружающей среде.

Частотные свойства диода в первую очередь зависят от емкости С I , шунтирующей р-n-переход. Эта емкость складывается из, барьерной емкости С бар , обусловленной наличием в области объемного заряда ионизированныхпримесных атомов, заряд которых не скомпенсирован основными носителями, и диффузионной емкости С диф , связанной с инерционностью установления распределения концентраций неравновесных носителей заряда внутри р- и n-областей структуры.

где К — постоянная величина, пропорциональная площади р-n-

перехода; n — показатель степени, определяемый характером распределения концентраций примесных атомов вблизи р-n-перехода.

Важным параметром диода, характеризующим его работу на переменном токе, является дифференциальное сопротивление, которое определяется выражением:

При проектировании диодных структур, предназначенных для использования в полупроводниковых ИМС, должны быть известны параметры, определяющие уравнение в.а.х., быстродействие, емкость диодного перехода, емкость диода на подложку и паразитный ток утечки на подложку.

Из анализа типовой структуры интегрального транзистора следует, что для формирования диода полупроводниковой ИМС