РОЗРАХУНОК І ПРОЕКТУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ І БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ.. Методичні вказівки з Твердотільна електроніка. Робота № 202707

Перехід до торгівельного партнера Binance

РОЗРАХУНОК І ПРОЕКТУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ І БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ.

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2004

Тип роботи:

Методичні вказівки

Предмет:

Твердотільна електроніка

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВівСЬКА ПОЛІТЕХНІКА” Розрахунок і проектування Напівпровідникових діодів і біполярних транзисторів Методичні вказівки до виконання курсової роботи з курсу “Твердотільна електроніка” для студентів базового напрямку 6.0908 “Електроніка” Затверджено на засіданні кафедри напівпровідникової електроніки протокол № від 2004 р. Львів-2004 Розрахунок і проектування напівпровідникових діодів і біполярних транзисторів: Методичні вказівки до виконання курсової роботи з курсу “Твердотільна електроніка” для студентів базового напрямку 6.0908 “Електроніка” – Львів: Видавництво національного університету “ Львівська політехніка” 2004. – с. Укладач Дружинін А.О., д-р тех. наук, професор Відповідальний за випуск Заячук Д.М., ,д.ф.-м.н., професор Рецензенти Буджак Я.С., д.ф.-м.н., професор З М І С Т TOC \o "1-1" \h \z \t "Заголовок 2;2;Заголовок 3;3;Заголовок 3 + полужирный;3" HYPERLINK \l "_Toc85597841" В С Т У П PAGEREF _Toc85597841 \h 4 HYPERLINK \l "_Toc85597842" 1.Основні вимоги до оформлення пояснювальної записки з курсовоЇ роботи PAGEREF _Toc85597842 \h 5 HYPERLINK \l "_Toc85597843" 2. Розрахунок НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА В СТАТИЧНОМУ І ДИНАМІЧНОМУ РЕЖИМАХ PAGEREF _Toc85597843 \h 7 HYPERLINK \l "_Toc85597844" 2.1. Завдання до курсової роботи з розрахунку напівпровідникового діода в статичному і динамічному режимах PAGEREF _Toc85597844 \h 7 HYPERLINK \l "_Toc85597845" 2.1.1. Структура напівпровідникового діода PAGEREF _Toc85597845 \h 7 HYPERLINK \l "_Toc85597847" 2.1.2. Конструктивні особливості PAGEREF _Toc85597847 \h 8 HYPERLINK \l "_Toc85597848" 2.1.3. Геометричні розміри елементів діода PAGEREF _Toc85597848 \h 8 HYPERLINK \l "_Toc85597849" 2.1.4. Електрофізичні параметри елементів приладу PAGEREF _Toc85597849 \h 8 HYPERLINK \l "_Toc85597850" 2.1.5. В процесі розрахунку необхідно визначити: PAGEREF _Toc85597850 \h 8 2.2. Розрахунок концентрації рівноважних носіїв заряду і енергії Фермі для p- і n- областей p-n-переходу………………………………………………………………………………..9 2.3. Розрахунок параметрів p-n-переходу напівпровідникового діода………………………..10 2.3.1. Розрахунок контактної різниці потенціалів……………………………………………10 2.3.2. Розрахунок ширини p-n-переходу і бар’єрної ємності………………………………...11 2.3.3. Розрахунок розподілу концентрації нерівноважних неосновних носіїв заряду в областях р-n-переходу………………………………………………………………...………….12 2.4. Розрахунок напруги пробою p-n-переходу…………………………………………………..12 2.5.Розрахунок вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода……………….13 2.6. Розрахунок дифузійної ємності діода…………………………………………………………15 2.7. Еквівалентна схема діода………………………………………………………………………16 2.8. Перемикання діода в схемі з генератором струму………………………………………….16 HYPERLINK \l "_Toc85597851" Основні фізичні сталі PAGEREF _Toc85597851 \h 18 HYPERLINK \l "_Toc85597852" Параметри основних напівпровідникових матеріалів PAGEREF _Toc85597852 \h 19 HYPERLINK \l "_Toc85597853" СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ PAGEREF _Toc85597853 \h 20 В С Т У П Курсова робота з курсу “Твердотільна електроніка” виконується студентами ІІІ-го курсу базового напрямку 6.0908 “Електроніка” на протязі V-го семестру. Виконання курсової роботи ставить своєю метою закріпити і розширити теоретичні знання, отримані студентами з курсу “Твердотільна електроніка”, розвинути вміння використовувати ці знання при вирішенні конкретних науково-конструкторських задач. При виконанні курсової роботи студенти повинні проявити вміння користуватись методами аналізу і розрахунку напівпровідникових біполярних приладів, вміння використовувати літературні джерела і довідкові матеріали. Тематика курсових робіт включає наступні напрямки: 1) розрахункові роботи, присвячені числовим розрахункам параметрів і характеристик біполярних напівпровідникових приладів, визначенню і аналізу залежностей параметрів приладів від зовнішніх умов, конструктивних особливостей і режимів роботи; 2) експериментальні роботи присвячені розробці і створенню лабораторних макетів та установок для визначення параметрів і характеристик напівпровідникових приладів. Завдання і вихідні дані для розрахунку напівпровідникових приладів з курсової роботи видаються викладачем – керівником курсової роботи на протязі першого тижня V-го семестру. Курсова робота є підсумковою роботою, при виконанні якої перевіряється вміння самостійно використовувати студентами отриманих знань при вивченні відповідних розділів курсу, який супроводжується лекційними, практичними і лабораторними заняттями. Для успішного засвоєння курсу “Твердотільна електроніка” необхідно мати знання з основ фізики напівпровідників і діелектриків, які розглядаються в попередніх дисциплінах “Фізика напівпровідників та діелектриків” та інші. В методичних вказівках до виконання курсової роботи описані основні вимоги, які необхідно знати студентам при оформленні тексту пояснювальної записки курсової роботи. Приведені методики розрахунку і елементи конструювання біполярних напівпровідникових приладів, а також наведені довідкові дані для типових матеріалів, які найбільше використовуються для створення біполярних напівпровідникових приладів. 1.Основні вимоги до оформлення пояснювальної записки з курсовоЇ роботи Структура пояснювальної записки з курсової роботи вміщає: титульний листок, завдання для курсової роботи, зміст, вступ, основну частину, висновки, список використаних джерел. 1.2. Пояснювальна записка з курсової роботи повинна бути написана або надрукована з одного боку листа білого паперу формату А4 і підшита в обкладинку , виконану за типовою формою. Рамки на листах записки не допускаються. Необхідно дотримуватися поля наступних розмірів: ліве –30 мм; праве – 10 мм; нижнє – 20 мм; верхнє –15 мм. Мінімальна висота букв і цифр – 2,5 мм. Опечатки і описки виправляються підчисткою або зафарбуванням і нанесенням на це ж місце виправленого тексту. Текст пояснювальної записки розділяється на розділи, підрозділи, пункти. Розділи нумеруються арабськими цифрами; “вступ” і “висновки” не нумеруються. Після номера розділу ставиться крапка. Підрозділи нумеруються арабськими цифрами в межах кожного розділу. Номер підрозділу складається із номера розділу і номера підрозділу, які розділені крапкою. Заголовки розділів пишуть симетрично до тексту прописними буквами. Заголовки підрозділів пишуть з абзацу строчними буквами (крім першої прописної). Переноси слів в заголовках не допускаються. Крапку в кінці заголовку не ставлять. Якщо він складається з двох речень, їх розділяють крапкою. Віддаль між заголовком і текстом повинна бути 15-10 мм. Кожний розділ необхідно розпочинати з нової сторінки. 1.3. Нумерація сторінок записки повинна бути наскрізною. Першою сторінкою записки є титульний лист, на ньому номер сторінки не ставлять. Другою сторінкою є завдання до курсової роботи, третьою - зміст, останньою - список використаних джерел. Номер сторінки проставляють у правому верхньому куті. Рисунки (ілюстрації), які розташовані на окремих листках, включають загальну нумерацію. Вони позначаються словом “рис. ”. Номер ілюстрації (за винятком таблиць) повинен складатись із номеру розділу і порядкового номера ілюстрації, що розділяються крапкою. Номер ілюстрації поміщається нижче неї. Якщо в пояснювальній записці є одна ілюстрація, то її не нумерують і слово “рис.” не пишуть. Таблиці нумерують послідовно арабськими цифрами в межах розділу. Номер таблиці складається із номера розділу і порядкового номера таблиці. В правому верхньому куті таблиці над відповідним заголовком розміщають надпис “Таблиця” з вказанням номера таблиці; якщо в тексті одна таблиця її не нумерують і слово “Таблиця” не пишуть. Таблицю з великою кількістю стрічок допускається переноситься на наступний листок. При перенесені частини таблиці справа пишуть один раз слово “Продовження”, наприклад, “Продовження табл..2.1”. Таблиці повинні мати Заголовок і слово “Таблиця” починають з прописної букви. Заголовок не підкреслюється. Висота строчок повинна бути не менше 9 мм. Графу “номер по порядку” в таблицю не включають. Формули нумеруються арабськими цифрами в межах розділу (наприклад,2.1) і номер вказують з правої частини листка на рівні з формулою в круглих дужках. Джерела розташовують і нумерують в порядку появлення посилання в тексті арабськими цифрами. 1.4. Зміст включає назви всіх розділів і підрозділів з вказуванням номера сторінки, на яких розміщені початок розділів або підрозділів. 1.5. Вступ – складова частина пояснювальної записки. Він повинен вміщати оцінку сучасного стану розробки і виробництва, запропонованого приладу, опис його основних особливостей і призначення. Можуть бути приведені також інші відомості, що сприяють більш повному поясненню роботи. Закінчувати вступ необхідно формулюванням задачі курсової роботи. 1.6. Основна частина розділяється на розділи і підрозділи і вміщає розрахунок параметрів приладу, його геометрії, опис конструкції. Тут повинні бути наведені таблиці параметрів, геометричні розміри елементів приладу, характеристики проектованого приладу, відповідні схеми. 1.7. У висновках наводиться коротка порівняльна оцінка спроектованого приладу з аналогічним промисловим зразком, а також можливості практичного застосування приладу. 1.8. Для захисту курсової роботи оформлена пояснювальна записка повинна бути передана керівнику на перевірку не менше, ніж за 2 дні до призначеного терміну захисту. При захисті роботи студент повинен ясно і чітко викласти основний зміст роботи, відповісти на поставлені контрольні запитання. При виставленні оцінки враховується систематичність роботи над завданням, термін закінчення і точність виконання розрахунків, знання теорії, вміння користуватись довідковою літературою. 2. Розрахунок НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА В СТАТИЧНОМУ І ДИНАМІЧНОМУ РЕЖИМАХ 2.1. Завдання до курсової роботи з розрахунку напівпровідникового діода в статичному і динамічному режимах В завданні до курсової роботи вказується: структура напівпровідникового діода; конструктивні особливості напівпровідникового діода; геометричні розміри елементів діода; електрофізичні параметри елементів діода; перелік параметрів і характеристик, які необхідно розрахувати при виконанні курсової роботи. 2.1.1. Структура напівпровідникового діода Пiд напiвпровiдниковим дiодом будемо розумiти напiвпровiдниковий прилад, що складається з випрямляючого переходу i двох омiчних контактiв, за допомогою яких перехiд пiд'єднується до електричної схеми. Випрямляючим переходом може бути електронно-дiрковий перехiд (p-n-перехiд), гетероперехiд або випрямляючий перехiд, утворений на контактi метал-напiвпровiдник (бар'єр Шотткi). Здебiльшого напiвпровiдниковi дiоди мають несиметричнi p-n-переходи (p+-n або p – n+-переходи). Пiд час прикладання зовнiшньої напруги, за якої знижується потенцiйний бар'єр, тобто пiд час прямого увiмкнення p-n-переходу, кiлькiсть носiїв заряду, iнжектованих iз сильнолегованої в слаболеговану область, значно вища вiд кiлькостi носiїв, що проходять в протилежному напрямку. Вiдповiдно, область напiвпровiдникового дiода, в яку проходить iнжекцiя неосновних для цiєї областi носiїв заряду, називають базою дiода. Пiд час зворотного увiмкнення дiода спостерiгається пiдвищення потенцiйного бар'єра в p-n-переходi, екстракцiя неосновних носiїв заряду буде проходити, в основному, iз бази дiода. Таким чином, слаболегована область p-n-переходу - база дiода може суттєво впливати на характеристики i параметри дiода. На рис.1. наведена структура напiвпровiдникового дiода з несиметричним p-n-переходом. x= 0 x=Wo x 1 2 3 1 p+ n Рис.1. Структура напiвпровiдникового дiода з p+-n-переходом: 1 - омiчний перехiд; 2 - випрямляючий перехiд; 3 -база дiода Залежно вiд спiввiдношення лiнiйних розмiрiв випрямляючого переходу i дифузiйної довжини неосновних носiїв заряду розрiзняють площиннi та точковi дiоди. 2.1.2. Конструктивні особливості напівпровідниковий матеріал діода (наприклад, кремній, германій або арсенід галію); тип p-n-переходу за розподілом концентрації домішки (наприклад, різкий або лінійний); тип провідності бази діода (наприклад, p- або n- типу); геометрія діода – паралелепіпед з квадратною основою і заданою товщиною базової області. 2.1.3. Геометричні розміри елементів діода площа p-n-переходу (наприклад, Аpn = 10-1÷ 1мм2 ); товщина бази в області діода (наприклад, W=0,1 EMBED Equation.3 0,8 мм); 2.1.4. Електрофізичні параметри елементів приладу питомий опір р-області p-n-переходу (наприклад, для германієвих діодів р = 10-310-2 Ом· см , для кремнієвих діодів - р =10-210-1 Ом· см); питомий опір n-області p-n-переходу (наприклад, для германієвих діодів р =12 Ом· см , для кремнієвих діодів – n =510 Ом· см); час життя неосновних носіїв заряду в базі діода , (наприклад, р = 2060 мкс) ; максимальна величина зворотної напруги при перемиканні діода (Uзв = 5÷10 В); опір навантаження при перемиканні діода в схемі з генератором струму (наприклад, Rн = 1÷10 кОм); інтервал робочої температури навколишнього середовища (наприклад, для Ge- 40о ÷70оС; для Si - 40о ÷120оС); рухливість носіїв заряду (наприклад, для Ge - µn = 3900 см2/Вс і µр = 1900 см2/Вс, ; для Si - µn = 1400 см2/Вс і µр = 500 см2/Вс). 2.1.5. В процесі розрахунку необхідно визначити: - концентрацію рівноважних основних і неосновних носіїв заряду в p- і n- областях p-n-переходу; енергію Фермі для p- і n- областей p-n-переходу; ширину області просторового заряду p-n-переходу і її залежність від прикладеної напруги та побудувати графік; контактну різницю потенціалів та побудувати енергетичну діаграму p-n-переходу; бар’єрну ємність p-n-переходу в залежності від напруги і побудувати графік вольт-фарадної характеристики діода; густину теплового струму і її залежність від температури та побудувати графік для рекомендованого діапазону температур; залежність диференціального опору діода від температури і напруги і побудувати графіки; залежність опору постійного струму від температури і напруги та побудувати графіки; розподіл нерівноважних неосновних носіїв заряду в базі діода від координати для напруги Uзв=0,5 к; дифузійної ємності від величини прямого струму і побудувати графік; напругу пробою p-n-переходу і обґрунтувати механізми пробою в напівпровідникових діодах; розрахувати і побудувати вольт-амперну характеристику діода для ідеального випадку а також з врахуванням опору бази; побудувати еквівалентну схему заміщення діода і обґрунтувати значення елементів схеми; розрахувати час перемикання діода з прямого ввімкнення на зворотнє в колі з генератором струму і побудувати часову діаграму зміни струму діода. 2.2. Розрахунок концентрації рівноважних носіїв заряду і енергії Фермі для p- і n- областей p-n-переходу Розташування рiвня Фермi, ймовiрнiсть знаходження на якому носiїв заряду (електрона або дiрки) дорiвнює 1/2, визначається типом домiшки i її концентрацiєю. Для невироджених напiвпровiдникiв n- i р-типу провiдностi рiвень Фермi визначається вiдповiдно такими спiввiдношеннями: Тут nno i ррo -рiвноважнi концентрацiї основних носiїв заряду- електронiв в напiвпровiднику n-типу i дiрок в напiвпровiднику р-типу провiдностi вiдповiдно. Як видно з (1) i (2), в напiвпровiднику n-типу рiвень Фермi розташований вище вiд середини забороненої зони (ЕFn > Ei), а в напiвпровiднику р-типу - нижче вiд Ei. Оскiльки рiвень Фермi залежить вiд kТ i ni, то вiн є функцiєю вiд температури. Для невироджених напiвпровiдникiв концентрацiя електронiв в зонi провiдностi i дiрок у валентнiй зонi визначається спiввiдношеннями: де EMBED Unknownвизначають ефективну густину станiв в зонi провiдностi i валентнiй зонi. За фiзичним змiстом Nc максимально можлива концентрацiя електронів в зоні провiдностi невиродженого напiвпровiдника при ЕF Ес. Аналогiчно Nv -це максимально можлива концентрацiя дiрок у невиродженому напiвпровiднику при ЕF Еv. Добуток концентрацiй (np) не залежить вiд положення рiвня Фермi i визначається тiльки температурою i шириною забороненої зони: де Eg = Ec - Ev - ширина забороненої зони. Згiдно з аналiзом для власного напiвпровiдника: З ( 5 ) отримується одне з важливих спiввiдношень теорiї напiвпровiдникових приладiв: Спiввiдношення (7 ) показує, що пiдвищення концентрацiї одного типу носiїв заряду супроводжується зменшенням концентрацiї iншого типу носiїв заряду (закон дiючих мас). Концентрацію рівноважних неосновних носіїв зарядув p- і n-областях pn і np можна визначити із співвідношення (закону діючих мас) (7) при відомій концентрації основних носіїв заряду (pn і np) . Останні можна розрахувати з відомої величини питомого опору (n p) при заданій рухливості носіїв заряду електронів і дірок: n = n-1 = en  nn ; (8) p = p-1 = ep  np ; (9) де n, n і p, p – питомі провідності рухливості електронів та дірок, відповідно. 2.3. Розрахунок параметрів p-n-переходу напівпровідникового діода P-n-переходи вiдiграють важливу роль в сучаснiй напiвпровiдниковiй електронiцi як самостiйнi прилади - напiвпровiдниковi дiоди, i є також основою iнших приладних структур: транзисторiв, тиристорiв, компонентiв iнтегральних схем тощо. На рис.2 зображено дiаграму енергетичних зон для р-n-переходу, якщо напруга пряма (U>0) i зворотна (U<0). Якщо U>0, то напруга вираховується з k, сумарне електричне поле в переходi знижується i ширина збiдненої областi зменшується. Якщо ж U<0, то U i k сумуються, сумарне електричне поле в переходi пiдвищується, що призводить до розширення збiдненої областi. а) e(k-U) eU e(k+U) б) eU -xp 0 xn EFp Ec EV EFn Eзовн Eвн p-тип n-тип Eзовн Eвн Ec EFp EV -xp 0 xn EFn Ec EV n-тип p-тип x x EV Ec Рис.2. Дiаграма енергетичних зон пiд час прямого (а) i зворотного (б) змiщення р-n-переходу 2.3.1. Розрахунок контактної різниці потенціалів Будемо вважати, що напівпровідники, що знаходяться в контакті є невиродженими. Тоді висота потенційного бар’єра і контактна різниця потенціалів дорівнюють відповідно: Якщо з обох бокiв контакту напiвпровiдник не власний i не скомпенсований, а домiшки в ньому за даної температури повнiстю iонiзованi, тобто pp  Na i nn  Nd, то контактну рiзницю потенцiалiв можемо визначити за формулою: Значення k для найпоширенiших невироджених напiвпровiдникiв знаходиться в iнтервалi 0,1  1,0 В, тобто, значення (ek) не перевищує ширину забороненої зони напiвпровiдникiв. 2.3.2. Розрахунок ширини p-n-переходу і бар’єрної ємності За розподiлом концентрацiї домiшок у приконтактнiй областi напiвпровiдникiв бiльшiсть р-n-переходiв можна вiднести до одного з двох типiв: - рiзкий р-n-перехiд зi ступiнчатим розподiлом домiшок; - лiнiйний р-n-перехiд з плавним розподiлом домiшок. За спiввiдношенням концентрацiї основних носiїв заряду або вiдповiдних домiшок в р- i n-областях розрiзняють симетричнi i несиметричнi р-n-переходи: -для симетричних - pp= nn ; -для несиметричних - pp>>nn (p+-n-переходи) або pp<<nn (n+-р-переходи). Несиметричнi переходи здебiльшого характернi для напiвпровiдникових дiодiв. Якщо до р-n-переходу прикладається зовнiшня напруга (U), ширина р-n-переходу буде змiнюватися i визначається такими виразами: Якщо напруга зворотна, (U<0) xp-n зростає, оскiльки збiльшується сумарна напруженiсть електричного поля в р-n-переходi. Якщо напруга пряма, (U>0) xp-n зменшується, оскiльки знижується сумарна напруженiсть електричного поля в р-n-переходi. Бар'єрна ємнiсть як рiзкого, так i лiнiйного р-n-переходу може бути визначена за формулою для плоского конденсатора: де Ар-n - площа р-n-переходу. Пiд час прикладання до р-n-переходу зворотної напруги змiщення розширюється область просторового заряду i бар'єрна ємнiсть зменшується. Вiдповiдно прикладання до р-n-переходу додатної напруги змiщення призводить до пiдвищення бар'єрної ємностi, оскiльки ширина р-n-переходу зменшується. 2.3.3. Розрахунок розподілу концентрації нерівноважних неосновних носіїв заряду в областях р-n-переходу Розподіл концентрації нерівноважних неосновних носіїв заряду в р- і n-областях переходу описується виразами відповідно:: З рівнянь (16) i (17) видно, що надлишкова концентрацiя неосновних носiїв заряду в областях переходу пiд час вiддалення вiд металургiйної межi переходу зменшується за експоненцiйним законом. При цьому дифузiйна довжина неосновних носiїв заряду є визначальним параметром змiни нерiвноважної концентрацiї i визначається як вiддаль, на якiй нерiвноважна концентрацiя змiнюється в e = 2.71 разiв. 2.4. Розрахунок напруги пробою p-n-переходу За деякої достатньо великої зворотної напруги струм через р-n-перехід різко зростає за практично незмінної напруги, що пояснюється пробоєм р-n-переходу. Розрізняють три основні механізми пробою: -тунельний, зумовлений тунельним ефектом в р-n-переході; -лавинний, пов'язаний з лавинним розмноженням носіїв заряду в запірному шарі р-n-переходу; -тепловий, пов'язаний з виділенням теплової енергії, що призводить до саморозігріву р-n-переходу. В основі тунельного пробою лежить тунельний ефект, тобто "просочування" носіїв заряду через потенційний бар'єр р-n-переходу за достатньо малої товщини бар'єра (xp 10-6 см). Часто для визначення напруги тунельного пробою використовуються емпіричні формули: де n i р - питомий опір n- і р-областей переходу, Омсм; UT.пр - напруга пробою, В. Для реальних діодів напруга тунельного пробою не перевищує декількох вольт (5 6)В. Лавинний пробій р-n-переходу - це пробій, зумовлений лавинним розмноженням носіїв заряду під дією сильного електричного поля. Механізм лавинного пробою полягає в тому, що носії заряду, котрі рухаються в сильному електричному полі р-n-переходу, можуть набути достатньої енергії для іонізації атомів напівпровідника, тобто для утворення нових електронно-діркових пар. Цей тип пробою, здебільшого, визначає верхню межу зворотної напруги випрямляючих діодів, колекторної напруги біполярних транзисторів, лавинно-прольотних діодів, фотодіодів і тощо. Частіше буває відома не концентрація домішки в базі діода, а її питомий опір, тобто питомий опір вихідного матеріалу. Тому, враховуючи зв'язок концентрації домішки або концентрації основних носіїв заряду з питомим опором, напругу лавинного пробою (EMBED Equation.3) можна визначити з такого виразу: Емпіричні коефіцієнти С і m є різними не тільки для діодів із різних матеріалів, але і для діодів із одного і того ж матеріалу (p+-n i n+-p-переходів), що пов'язано з неоднаковими рухливостями електронів і дірок у напівпровідниках. Для кремнієвих EMBED Equation.3-переходів EMBED Equation.3, EMBED Equation.3-переходів. EMBED Equation.3; для германієвих EMBED Equation.3-переходів EMBED Equation.3; EMBED Equation.3-переходів EMBED Equation.3, де  -питомий опір бази, Омсм. Процес лавинного розмноження носіїв заряду домінує в тих діодах, для яких EMBED Equation.3. Якщо ж значення EMBED Equation.3 лежить в інтервалі 58 В. то пробій зумовлений одночасним існуванням тунельного і лавинного механізмів пробою. 2.5.Розрахунок вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода Повна густина струму через p-n-перехiд за умови, що дрейфовими струмами можна знехтувати, буде дорiвнювати: Iз виразу ( ) видно: якщо напруга вiд'ємна i U>>kT/e, exp(eU/kT)<<1,- струм через дiод прямує до насичення: де Js- густина струму насичення; Ap-n - площа р-n-переходу. Таким чином, вираз для вольт-амперної характеристики (ВАХ) iдеального дiода може бути поданий у виглядi: Рiвняння ( ), що описує ВАХ iдеального напiвпровiдникового дiода, можна також подати у виглядi: U I 0 Is A   Рис.3 ВАХ iдеального дiода Вирази (23) і (24) описують ВАХ iдеального дiода, тобто без врахування генерацiйно-рекомбiнацiйних процесiв, що мають мiсце в запiрному шарi р-n-переходу, без врахування поля за межами запiрного шару, явищ на поверхнi кристала, крайових ефектiв i т.д. Здебiльшого експериментальнi результати добре узгоджуються з отриманим виразом ВАХ, якщо врахувати для прямої вiтки розподiл напруги в базi дiода, для зворотної - струми втрат i пробiй р-n-переходу. На рис. 3 наведено ВАХ iдеального дiода вiдповiдно до виразів (23) і (24). Оскiльки ВАХ напiвпровiдникового дiода є нелiнiйною i несиметричною, то кожну її точку можна описати за допомогою диференцiйного опору (rp-n) або опору постiйному струму (Rp-n): Якщо EMBED Equation.3 якщо EMBED Equation.3EMBED Equation.3 Струм насичення не залежить вiд прикладеної до дiода зовнiшньої напруги , а лише визначається електрофiзичними властивостями напiвпровiдника, на основi якого виготовлений p-n-перехiд. Однак в реальних дiодах зворотний струм не є постiйним i не дорiвнює струму насичення, а здебiльшого зростає з пiдвищенням зворотної напруги з таких причин: - генерацiї носiїв заряду в ОПЗ переходу; - поверхневих втрат; - явищ, що за достатньо високих напруг призводять до пробою. Розглянемо залежнiсть струму насичення вiд температури для p+-n-переходу. Для аналiзу температурної залежностi в цьому випадку достатньо розглянути дiркову складову густини струму насичення: З врахуванням того, що EMBED Equation.3вираз (27) запишеться так: де EMBED Equation.3 -власна провiднiсть напiвпровiдника; EMBED Equation.3 -домiшкова провiднiсть n-областi переходу-бази; EMBED Equation.3- спiввiдношення рухливостей електронiв i дiрок. Отже, пiд час пiдвищення температури дiода густина струму насичення збiльшується, оскiльки з температурою експоненцiйно зростає власна концентрацiя носiїв заряду. Якщо густина прямого струму підвищена, необхідно враховувати омічний спад напруги на р- і n- областях діода і його контактах. тобто на послідовно увімкненому до переходу омічному опорі EMBED Equation.3: де EMBED Equation.3- опір бази, EMBED Equation.3.- опір контактів. Здебільшого опір контактів діода значно менший, ніж опір бази, тому ним нехтують і вважають, що EMBED Equation.3. Зовнішня напруга (U), що прикладена до діода в загальному випадку, складається зі спаду напруги на ОПЗ р-n-переходу (Uр-n) і спаду напруги на базі та контактах (EMBED Equation.3): Якщо опір бази діода відомий, то струм через діод можна визначити так: Формула (31 ) дає змогу розрахувати ВАХ діода, прийнявши за незалежну змінну значення струму через діод. Опір бази можна розрахувати, знаючи її геометричні розміри і питомий опір напівпровідника: де W- довжина бази, EMBED Equation.3 - питомий опір напівпровідника Таким чином, за достатньо великих прямих струмів на ВАХ діода може спостерігатися прямолінійна ділянка, за якою можна наближено оцінити опір бази і значення контактної різниці потенціалів р-n-переходу. Необхідно врахувати, що за достатньо великих струмів опір бази не є постійним під час зміни струму через діод, тому розрахунок ВАХ для цього випадку значно ускладнюється. 2.6. Розрахунок дифузійної ємності діода Дифузійна провідність Yр- комплексна величина, в якій можна виділити дійсну та уявну частини, що відповідають активній і реактивній складовим провідності відповідно. Реактивна складова має ємнісний характер Розглянемо детальніше дифузійну ємність для діапазону низьких частот EMBED Equation.3. Для низьких частот EMBED Equation.3. Підставивши отриманий вираз у формулу для повної провідності, отримаємо: У виразі ( ) не враховується бар'єрна ємність (Сбар), значення якої є малим порівняно з дифузійною ємністю в режимі малого сигналу. Дифузійну ємність пов'язують зі зміною заряду інжектованих неосновних носіїв під час зміни напруги на діоді, однак її не можна пов'язати з проходженням струмів зміщення. В цьому суттєва різниця між дифузійною ємністю і бар'єрною ємністю р-n-переходу, а також ємністю плоского конденсатора. 2.7. Еквівалентна схема діода Якщо амплітуда прикладеної гармонічної напруги задовольняє нерівності U1(х)<<kТ/е, то rp-n Cбар Cдиф Rs діод можна описати еквівалентною схемою заміщення у вигляді лінійного двополюсника (рис. 4). Рис.4. Еквівалентна схема діода в режимі малого сигналу Еквівалентна схема діода в режимі малого сигналу утворена паралельним з'єднанням дифереційного опору діода rр-n, дифузійної ємності Сдиф і бар'єрної ємності Сбар, а також враховує послідовний опір бази EMBED Equation.3. Якщо U>0, можна вважати, що Сбар << Сдиф, якщо U<0, то має місце зворотна нерівність Сбар >> Сдиф. 2.8. Перемикання діода в схемі з генератором струму Оскільки в будь-якому реальному електричному колі послідовно з діодом увімкнений відмінний від нуля опір навантаження, то, відповідно, значення перехідного зворотного струму діода обмежується цим опором. Тому протягом деякого часу після перемикання значення зворотного струму визначається лише параметрами зовнішнього кола і не залежить від властивостей самого діода: де Rн - опір навантаження, А р-n - площа р-n-переходу. Графік залежності густини струму під час перемикання діода в схемі з генератором струму подано на рис.5. Jps J(t) t Jпр Jзв tI tII Рис.5. Графік залежності густини струму під час перемикання діода в схемі з генератором струму Отже, весь перехідний процес перемикання діода в колі з обмежуючим опором можна розділити на дві фази: - фазу високої зворотної провідності діода; - фазу встановлення зворотного струму (або зворотного опору діода). Протягом першої фази (tI) зворотний струм визначається лише елементами кола і залишається постійним, тоді як за час другої фази (tII) він спадає за законом, що визначається характеристиками діода, Тривалість першої фази (tI) можна знайти з рівності. Якщо EMBED Equation.3або EMBED Equation.3 Характерно, що тривалість першої фази (tI) пропорційна до часу життя дірок (EMBED Equation.3), а від режиму перемикання залежить дише через відношення густин струмів. Практично протягом першої фази перемикання зберігається додатна напруга на р-n-переході. Тривалість фази встановлення зворотного струму (tII) можна визначити з виразу для густини перехідного зворотного струму через p-n-перехід: Отже, тривалість перехідних процесів, пов'язаних з нагромадженням і розсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі діода пропорційна до часу життя носіїв заряду (EMBED Equation.3). Тому для зменшення часу життя носіїв заряду в швидкодіючих діодах у базу додатково вводять рекомбінаційні центри, легуючи напівпровідник домішками з глибокими рівнями залягання, найчастіше золотом. Однак, якщо концентрація золота в базі значна, зменшується напруга пробою р-n-переходу і зростає зворотний струм діода. Додаток 1 Основні фізичні сталі Маса спокою електрона m  9,110-31кг = 9,110-28г. Заряд електрона (елементарний заряд) е  1,610-19Кл. Електрична стала вакууму о  8,8610-12Ф/м = 8,8610-14Ф/см. Стала Планка h  6,6310-34Джc = 4,1410-15 еВc. Стала Больцмана к  1,3810-23 Дж/К = 0,8610-4 еВ/К Магнітна стала вакууму   1,2610-6 Гн/м = 1,2610-8 Гн/см. Швидкість світла у вакуумі с  3108 м/с = 31010 см/с. Відношення заряду електрона до його маси е/m  1,7591011 Кл/кг. Число Авогадро Nо  6,0231023 1/моль. Молярний об’єм газу при стандартній температурі і тиску Vо  2,24110-2 м3 /моль. Прискорення земного тяжіння g  9,807 м/с2. Добуток kT при температурі 300 К kT  0,0258 еВ. Температурний потенціал T= kT/е при 300 К T  0,0258 еВ, при 293 К T  0,0252 еВ. Коефіцієнти перетворення 1 Ао = 10-10м = 10-8см = 0,1 нм. 1 еВ = 1,602 10-19 Дж. 1Дж = 10-7ерг. Додаток 2 Параметри основних напівпровідникових матеріалів СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. – М.: Радио и связь, 1991.– 288 с. Баранский П.И., Клочков В.П., Потыкевич И.В. Полупроводниковая электроника. Свойства материалов. Справочник. – Киев: «Наукова думка», 1975.– 704 с. Дружинін А.О. Твердотільна електроніка: фізичні основи і властивості напівпровідникових приладів: Навчальний посібник. – Львів: Видавництво національного університету „Львівська політехніка”, 2001.– 252 с. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Т.1,2. /Пер. с англ. Под ред. Р.А.Суриса. – М.: Мир, 1984.– 456 с. Интегральные схемы на МДН-приборах: /Пер. с англ. Под ред. А.Н.Кармазинского. – М.: Мир, 1975.– 528 с. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная микроэлектроника. – М.: Высшая школа, 1986 –304 с. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем / Пер. с англ. Под ред. Е.З.Мазеля и Л.С.Ходоша. – М.: Мир, 1989. – 630 с. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – М.: Высшая школа, 1987. – 479 с. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. / Пер. с исп. под ред. В.А.Терехова. – М.: Высшая школа, 1991, – 351 с. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Сов.радио, 1980.– 424 с. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. – М.: Мир, 1985.– 504 с. Тугов Н.Н., Глебов Б.А., Чариков Н.А. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов под. ред. В.А.Лабунцова.-М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия / Пер. с англ. – М.: Мир, 1991. – 632 с.

Методичні вказівки Твердотільна електроніка

01.01.1970 03:01-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись