Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (национальный исследовательский университет)»

ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭЛЕКТРОНИКИ И КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК
Кафедра «Конструирование и производство радиоаппаратуры»

Расчёт электронно-дырочного перехода
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по дисциплине «Физические основы электроники»
ЮУрГУ-110501.2022.054 ПЗ КР

Нормоконтролер Руководитель

В.А. Бухарин В.А. Бухарин

­­­­­­­­_________________2022 г. _________________2022 г.
Автор проекта

Студент группы КЭ-210

Бетехтина А.В.

_________________2022 г.
Проект защищен с оценкой

________________________________________2022 г.


Челябинск 2022

---

Аннотация
Бетехтина А.В. Расчёт электронно-дырочного перехода. – Челябинск: ЮУрГУ, ВШЭКН, КЭ, 2022, с.24, 8 илл., Библиография литературы – 5 наим., 1 прил.
В данной работе ставится задача изучить литературу по теме электронно-дырочного перехода, определить основные характеристики p-n-перехода, произвести классификацию разработанного электронно-дырочного перехода по граничной частоте и рассеиваемой мощности, представить конструкцию диода современной твердотельной САПР.

Выполнен расчет электронно-дырочного перехода:

1. 
   Построена воль-амперная характеристика;
   
2. 
   Рассчитана барьерная емкость;
   
3. 
   Рассчитана диффузионная емкость;
   
4. 
   Рассчитано пробивное напряжение;
   
5. 
   Проведена классификация p-n-перехода по граничной частоте и рассеиваемой мощности;
   
6. 
   Построена модель диода в современной твердотельной САПР Autodesk AutoCAD Mechanical 2021.
   

В курсовой работе рассмотрены технология изготовления, принцип действия, физические процессы в полупроводниковых диодах. Изучено применение диодных структур в интегральных микросхемах. Наиболее подробно рассмотрен метод изготовления диодов путем диффузии фосфора в однородно легированную подложку.

ОГЛАВЛЕНИЕ

В ходе работы необходимо рассчитать полупроводниковый диод. В задании на курсовой проект приведены только основные величины, которых недостаточно для полного расчета параметров диода. Поэтому в расчетной части будут указаны дополнительные величины, такие как постоянная Больцмана, диэлектрическая постоянная, относительная диэлектрическая проницаемость, масса электрона и т.п. Из задания следует, что полупроводниковый диод изготавливается по диффузионной технологии.

Диффузия – это взаимное проникновение одного вещества между молекулами другого. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Коэффициент диффузии в твёрдых телах крайне чувствителен к дефектам кристаллической решётки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и других воздействиях. Увеличение числа дефектов (вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту коэффициента диффузии, для которого в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. В результате диффузии носителей в полупроводниках возникает электрический ток, перемещение носителей заряда в полупроводниках обусловлено неоднородностью их концентрации. Для создания полупроводникового диода в одну из поверхностей кремния вплавляют фосфор. Вследствие диффузии атомов фосфора в глубь монокристалла кремния в нем образовывается

---

р-n-переход, по которому может идти значительный ток при минимальном сопротивлении.

2.ВВЕДЕНИЕ

2.1. Общие сведения по диодам

Полупроводниковый диод – полупроводниковый элемент, который содержит n- и p- проводящий слой. В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в p-проводящем слое – дырки. Существующий между этими слоями p-n-переход имеет внутренний потенциальный барьер, препятствующий соединению свободных носителей заряда. При прямом приложении напряжений потенциальный барьер уменьшается, и диод начинает проводить ток. При обратном напряжении потенциальный барьер увеличивается. В обратном направлении протекает только небольшой ток утечки, обусловленный неосновными носителями.

Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны. Между двумя электродами происходит образование электрического поля. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока.

Условно-графическое обозначение диода изображено на рисунке 1.



Рисунок 1 – Условно-графическое обозначение диода

2.2 Описание технологии изготовления электронно-дырочного перехода.

---

Существует большое количество способов создания p-n перехода: сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, точечные, планарные и др. технологии. В работе рассматривается диффузионная технология создания электронно-дырочного перехода.

Первые диоды изготавливались точечным методом. С помощью иглы выбирали микрокристалл, образующий с основной массой p-n-переход. Эти диоды были относительно высокочастотными, но работали с малыми мощностями.

Сплавные переходы получают путем вплавления примеси в монокристалл полупроводника.

Эпитаксиальные переходы образуются ориентированным направлением слоя монокристаллического полупроводника на исходном монокристалле-подложке.

Диффузионная технология отличается от других способом введения примесей. При изготовлении диодов по данным способом примесное вещество, находящееся в жидком или газообразном состоянии, вводится в полупроводник путем нагрева последнего до высокой температуры. При этом примесные атомы диффундируют внутрь полупроводника. Например, при производстве германиевых диодов кристалл с электронной проводимостью нагревается до 900 °С и помещается в пары Индия.

3.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Диффузия фосфора в кремниевую подложку.

Профиль распределения примеси при диффузии из ограниченного источника описывается выражением [1, c.357]:

(1)

где Q – количество атомов примеси, проникающей в тело за время τ через единицу площади поверхности, ат/м²;

X – глубина залегания, м;

D – коэффициент диффузии примеси, м²/с;

τ – длительность диффузии, с.

Поверхностная концентрация примеси:

(2)

Значение поверхностной концентрации дано в задании . Подставим ее в формулу (1):

(3)

Нам известны следующие параметры в соответствии с вариантом:

N_исх = 5·10¹⁴ см^-3 = 5·10²⁰ м^-3 – исходная концентрация примеси в пластине кремния;

N_0д = 2·10¹⁸ см^-3 = 2·10²⁴ м^-3 – поверхностная концентрация примеси (фосфора);

X = 1·10^-6 м – глубина залегания p-n-перехода.

Найдем коэффициент диффузии по формуле [1, c. 353]:

---

(4)

где D₀ – коэффициент диффузии при бесконечно большой температуре, ;

E – энергия активации диффузии, E = 3,7 эВ;

k – постоянная Больцмана, k = 8,62·10^-5 эВ·К^-1;

T – температура диффузии фосфора, T = 1400 K;

Температуру, энергию активации и коэффициент диффузии при бесконечно большой температуре взяли из таблицы 11.3 [1, c.354].

Подставив в формулу (4) числовые значения, определили коэффициент диффузии:



Для определения длительности диффузии фосфора выполнили преобразование формулы (1) и получили:

(5)

Подставив в формулу (5) значения, получили:



Построили график распределения концентрации по формуле (3)



Рисунок 2 – Распределение введенной примеси

Построили график распределения концентрации в логарифмическом масштабе:

(6)



Рисунок 3 – Логарифмический график зависимости введенной примеси
3.2 Расчет ширины p-n-перехода.

Для определения ширины плавного p-n-перехода воспользуемся следующей формулой [2, с. 27]:

(7)

где – относительная диэлектрическая проницаемость кремния, ε = 11,8;

ε₀ – диэлектрическая постоянная, ;

Δφ – контактная разность потенциалов, В;

q – элементарный заряд, q = 1,6·10^-19 Кл;

α – градиент концентрации, м^-4.

Определим контактную разность потенциалов. Для этого нужно решить трансцендентное уравнение [2, c.25]:

(8)

где n_i – концентрация носителей заряда в собственном (нелегированном) полупроводнике, n_i = 1,5·10¹⁰ см^-3 = 1,5·10¹⁶ м^-3 при T = 300 K [2, c.108];

m^* – параметр, который в зависимости от соотношения определяется по таблице 3.1 [8, с.26], m

---

Смотрите также файлы

• Проявления отчуждения учащихся от учебы.pdf

• Вопросыкадастр ы.docx

• Отчет содержание.docx

• Практическая работа 4 Анализ урока учителя года России 2021. Шрамко А. В. Русский язык, литература.docx

• Годовая промежуточная аттестация Предмет Немецкий язык Класс 11.docx