- •Содержание
- •Образование p-n перехода
- •3. Решение уравнения пуассона для области объемного заряда p-n перехода
- •Зависимость ширины ооз и зарядной емкости
- •5. Механизм выпрямления на p-n переходе (диодная теория выпрямления)
- •6. Вольт -амперная характеристика p-n перехода
- •7. Пробой p-n перехода
- •Методические указания по выполнению курсовой рабоТы по дисциплине «физические основы микроэлектроники»
- •9.1 Образование p-n перехода;
- •Задание для расчетной части
- •Порядок расчета
- •Контрольные вопросы для самопроверки
- •Что такое электронно-дырочный переход (p-n переход)?
- •Какие электронно-дырочные переходы называют симметричными и какие несимметричными?
- •Некоторые физические постоянные и соотношения между единицами физических величин
- •Рекомендуемая литература
Порядок расчета
Порядок расчета следующий.
1) Из таблицы задания определить nn и pp по заданным значениям удельного сопротивления p- и n- областей.
2) Рассчитать диапазон напряжений, в котором следует определить и построить характеристики, т.е. рассчитать пробивное напряжение p-n перехода.
3) Определить контактную разность потенциалов p-n перехода.
4) Рассчитать зависимость ширины ООЗ и емкости p-n перехода от приложенного напряжения.
5) Для расчета вольтамперной характеристики необходимо рассчитать коэффициенты диффузии, соответственно, электронов и дырок (D n и Dp ). Для этого можно воспользоваться соотношением Эйнштейна
/ D = q / (k T), (8.1)
где - подвижность соответствующих носителей заряда.
Подвижность определяется из известного уравнения для удельной электропроводности полупроводника.
= q n, (8.2)
где - удельная электропроводность полупроводника; и n - подвижность и концентрация, соответственно, основных носителей заряда.
Известно, что удельная электропроводность связана с удельным сопротивлением как
= 1 / , (8.2)
где - удельное сопротивление полупроводника.
Величина удельного сопротивления p-n областей указана в каждом конкретном варианте задания, а концентрация основных носителей заряда определяется из таблицы, приведенной в расчетной части настоящих методических указаний.
Обратный ток насыщения создается неосновными носителями заряда. В настоящее время отсутствуют прямые методы определения подвижности неосновных носителей заряда. Поэтому можно воспользоваться косвенной оценкой, используя уравнения (8.3 и 8.4).
nнеосн = pосн no / po, (8.3)
pнеосн = nосн po / no, (8.4)
где no и po-подвижность электронов и дырок в собственном германии;
nнеосн и pнеосн- подвижность неосновных электронов и дырок в германии;
nосн и pосн- подвижность основных электронов и дырок в германии.
Контрольные вопросы для самопроверки
Что такое электронно-дырочный переход (p-n переход)?
Какие электронно-дырочные переходы называют симметричными и какие несимметричными?
Какие p-n переходы называют резкими, а какие плавными?
Какие технологические приемы используются для создания электронно-дырочных переходов?
Изобразите и поясните распределение концентрации примесей, электронов, дырок, объемных зарядов, потенциала и напряженности электрического поля в окрестности резкого несимметричного p-n перехода с концентрацией доноров, значительно превышающей концентрацию акцепторов для равновесного состояния.
Изобразите и объясните энергетическую зонную диаграмму p-n перехода (см. вопрос 5) в равновесном состоянии.
От какого параметра полупроводникового материала зависит высота потенциального барьера p-n перехода при одинаковой концентрации примесей в р- и n- областях?
Какие составляющие токов протекают в p-n переходе в равновесном состоянии? Чему равен при этом результирующий ток? Почему?
Покажите, что высота потенциального барьера p-n перехода, сформированного в невырожденном полупроводнике, определяется выражением
,
где pр- и nn- равновесные концентрации основных носителей заряда в p- и n-областях; ni- концентрация собственных носителей заряда.
Изобразите и объясните вольтамперную характеристику p-n перехода.
Что такое «инжекция неосновных неравновесных носителей заряда» через p-n переход?
Что такое «ток насыщения», от чего он зависит?
Объясните влияние концентрации примеси, температуры окружающей среды и ширины запрещенной зоны полупроводника на вид вольтамперной характеристики p-n перехода.
Изобразите энергетическую зонную диаграмму p-n перехода (см. вопрос 5) при подаче на p-n переход прямого смещения.
Изобразите энергетическую зонную диаграмму p-n перехода (см. вопрос 5) при подаче на p-n переход обратного напряжения.
Объясните, как изменяется контактная разность потенциалов p-n перехода при увеличении температуры.
Как и почему изменяется контактная разность потенциалов p-n перехода при увеличении концентрации примесей в полупроводнике?
Как и почему изменяется контактная разность потенциалов p-n перехода при увеличении ширины запрещенной зоны полупроводника?
Можно ли использовать контактную разность потенциалов, возникающую в p-n переходе, в качестве источника напряжения? Ответ поясните.
Почему разность потенциалов в полупроводнике с неоднородным распределением примеси нельзя измерить вольтметром?
Объясните виды пробоя p-n перехода.
Как изменяется пробивное напряжение p-n перехода при увеличении концентрации примеси в полупроводнике?
Выведите аналитическое выражение для тока насыщения p-n перехода и объясните зависимость этого тока от температуры, концентрации примеси, ширины запрещенной зоны полупроводника, приложенного напряжения.
Какова природа объемных зарядов в p-n переходе?
Объясните природу барьерной емкости p-n перехода и ее зависимость от приложенного напряжения.
Во сколько раз изменится емкость резкого p-n перехода при увеличении обратного напряжения от 20 до 80 вольт?
Влияет ли увеличение концентрации примеси в полупроводнике на величину барьерной емкости p-n перехода? Ответ поясните.
Что такое «подвижность носителей заряда»?
Что влияет на величину подвижности носителей заряда?
Как рассчитать подвижность носителей заряда, зная удельное сопротивление полупроводника и концентрацию основных носителей заряда?
Как рассчитать коэффициент диффузии носителей заряда, зная их подвижность?
Некоторые параметры основных полупроводниковых материалов при Т=300 К (kT/q=0,026 В).
Параметр материала |
Ge германий |
Si кремний |
GaAs арсенид галлия |
Ширина запрещенной зоны ΔΕ, эВ |
0,67 |
1,11 |
1,42 |
Эффективная масса электронов mn* в зоне проводимости |
0,56 m0 |
1,08 m0 |
0,067 m0 |
Эффективная масса дырок mp* в валентной зоне |
0,37 m0 |
0,59 m0 |
0,47 m0 |
Постоянная решетки a, Ǻ |
5,66 |
5,42 |
5,65 |
Граничные концентрации носителей для невырожденного полупроводника, м-3 n0 p0 |
1,12×1023 0,74×1023 |
1,05×1023 3,75×1022 |
1,54×1021 4,34×1022 |
Подвижность электронов μn, м2/В.с |
0,38 |
0,13 |
0,85 |
Подвижность дырок μp, м2/В.с |
0,182 |
0,05 |
0,042 |
Диэлектрическая проницаемость ε |
16,3 |
12 |
11,15 |
Температура плавления Тпл , ºC |
936 |
1417 |
1238 |
Концентрация собственных носителей заряда ni, см-3 |
2,5.1013 |
1,5.1010 |
|