Реферат: Модели полупроводниковых диодов

Сибирский государственный университет информации и телекоммуникаций

Лабораторная работа

Тема:

Модели полупроводниковых диодов

Новосибирск 2008

Содержание

Часть №1

1. Исследование зависимости времени жизни от концентрации легирующей примеси

2. Исследование свойств диффузионной длины неосновных носителей

3. Исследование модели тока насыщения ISидеального диода в модели Шокли

4. Исследование модели контактной разности потенциалов

5. Исследование модели толщины ОПЗ

Часть №2

1. Исследование влияния процессов генерации-рекомбинации в ОПЗ на вид ВАХ для PSPICEмодели диода

2. Исследование влияния температуры и концентрации примесей в База на вид ВАХ для PSPICEмодели идеального диода

3. Исследование влияние процессов высокого уровня инжекции на вид ВАХ для PSPICEмодели диода

4. Исследование влияние процессов высокого уровня инжекции на вид ВАХ для PSPICEмодели диода

Часть №3

1. Исследования влияние концентрации в базе и температуры на значение равновесной барьерной емкости Cj(при U=0

2. Исследование ВФХ барьерной емкости в зависимости от ее входных параметров

3. Исследование ВФХ диффузионной емкости в зависимости от ее входных параметров

4. Исследование ВФХ барьерной и диффузионной емкости на совмещенном графике

Лабораторная работа №3

Тема: «МОДЕЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ»

Цель работы: Изучить основные физические модели p-nпереходов, находящихся в равновесном состоянии и при электрическом смещении, а так же модели ВАХ диодов, соответствующие различным процессам (генерация-рекомбинация в ОПЗ, высокий уровень инжекции, явление пробоя) в зависимости от учитываемых параметров в схемотехнической модели диода для программы PSPICEв режиме работы на постоянном токе (DCрежим).

Исходные данные:

п/п – Ge

NЭ= 1×1018см-3; NБ= 2×1015см-3.

LБ= 10мин; LЭ= 2мин; W= 500мин; H= 200мин.

Sзахв= 2×10-16см-2.

Переход p-n.

Часть №1

Uобр= -50В; Т = 300°К

Концентрационные зависимости подвижностей основных и неосновных носителей:

Эмиттер (Р)


База (n)


N/5

N

5N



N/5

N

5N

Конц. см-3

2×1017

1×1018

5×1018


Конц. см-3

4×1014

2×1015

1×1016

mоснсм2/В×с

700

380

160


mоснсм2/В×с

4500

4100

3800

mнеоснсм2/В×с

2700

2000

1200


mнеоснсм2/В×с

2000

1900

1500

Исследование зависимости времени жизни от концентрации легирующей примеси

Для Geмодель времени жизни носителей описывается формулой Шокли-Рида-Холла:

/>

--PAGE_BREAK--

/>

где Еt– локальный уровень

Еi– уровень Ферми собственного п/п

Nt– концентрация ловушек

s— сечение захвата.



Эмиттер


База

Т°, К

tнеосн, сек

N/5

N

5N


N/5

N

5N



2×1017

1×1018

5×1018


4×1014

2×1015

1×1016

300


2,5×10-9

5×10-10

1×10-10


1,37×10-6

2,55×10-7

5,02×10-8

400


2,52×10-9

5,01×10-10

1×10-10


2,46×10-6

3,99×10-7

5,74×10-8

500


2,68×10-9

5,07×10-10

1×10-10


2,5×10-6

4,98×10-7

9,11×10-8

/>/>

/>/>

Т = 300°К; NЭ= 1×1018см-3; NБ= 2×1015см-3.




Ge

tнеосн, сек

5×10-10

2,55×10-7


Si


5×10-10

2,54×10-7


При увеличение сечение захвата на 1% (при фиксированных Nи Т=300°К) время жизни неосновных носителей в базе уменьшается на 1%.

Время жизни определяется количеством и типом рекомбинации ловушек. Оно maxв собственном п/п. С увеличением Т затрудняется захват носителей на уровни, поэтому их время жизни растет.

В реальных п/п время жизни неравновесных носителей заряда может составлять 10-2¸10-10с.

Исследование свойств диффузионной длины неосновных носителей

Модель диффузионной длины неосновных носителей определяется выражением:

/>

где D– коэффициент диффузии

t— время жизни носителей.


    продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--

0,1

0,892

0,468

0,237


0,15

0,783

0,428

0,221


0,2

0,656

0,383

0,204


0,25

0,499

0,332

0,185


0,3

0,260

0,272

0,164

Обратное

-5

4,395

1,981

0,893


-10

6,122

2,749

1,234


-20

8,590

3,850

1,725


-30

10,493

4,699

2,104


-40

12,101

5,417

2,425

/>/>

Толщина ОПЗ при увеличении температуры уменьшается незначительно.

Снижение высоты потенциального барьера при U>0 позволяет основным носителям пересекать область перехода, при этом они становятся неосновными носителями, создавая заметный ток (при ­Uпр, W¯). При U<0 эффекты диффузии более ощутимы, чем эффекты дрейфа (при ­Uобр, W­).

Часть №2

Исследование влияния температуры и концентрации примесей в База на вид ВАХ для PSPICEмодели идеального диода

Модель ВАХ идеального диода:

/>/>

Is– ток насыщения

φT– тепловой потенциал.

Модель идеального диода в логарифмическом масштабе:

/>

/>/>/>/>/>

/>

Изменение концентрации примеси в базе влияет на ток насыщения (при увеличении концентрации, ток насыщения уменьшается), при этом ВАХ изменяется следующим образом:

/>

Материал

Ge

Si

Ge(T+50)

Si(T+50)

Is, A

4,23Е-7

2,73Е-14

2,26Е-5

1,9Е-11

Т=300°К

Т+50=350°К

/>

/>

/>

Для реальных переходов величина Isне является постоянной и в момент зависеть от напряжения, приложенного к переходу.

Это может быть вызвано, например, изменением свойств п/п (время жизни носителей, концентрации примесей) по объему Isв основном определяется удельным сопротивлением материала – с ­ρ, Is­(что обусловлено увеличением концентрации неосновных носителей).

Исследование влияния процессов генерации-рекомбинации в ОПЗ на вид ВАХ для PSPICEмодели диода

Уточненная модель ВАХ диода при прямом смещении с учетом процессов генерации-рекомбинации в ОПЗ:

/>

φК– контактная разность потенциала

М – коэффициент лавинного умножения

ISR– ток насыщения ток рекомбинации

m– коэффициент неидеальности.

Влияние процессов генерации-рекомбинации (параметр N) на вид ВАХ:

/>/>/>/>

При увеличении коэффициента неидеальности, Nвозрастает прямого тока начинается при больших значениях напряжения, чем в модели идеального диода.

Диапазоны напряжений, в которых начинает преобладать ток генерации-рекомбинации:

GeUпр= 0,62¸0,9 В

Si Uпр= 1,8¸2,2 В

Протекание процессов генерации-рекомбинации приводит к увеличению тока как в прямом, так и в обратном направлению.

    продолжение
--PAGE_BREAK--

Процессы генерации и рекомбинации связаны с различными концентрациями свободных носителей заряда (в области объемного заряда) при различных напряжениях на переходе.

Исследование влияние процессов высокого уровня инжекции на вид ВАХ для PSPICEмодели диода

Уточненная модель ВАХ диода с учетом процессов высокого уровня инжекции при прямом смещении диода:

/>

IKF– ток излома (ток перехода к высокому уровню инжекции)

Is– ток насыщении

m– коэффициент неидеальности

φТ– тепловой потенциал

Независимо от типа материала (Geили Si) эффект высокого уровня инжекции начинает проявляться при любом положительном значении тока излома (IKF>0).

Зависимость Kinjот напряжения на диоде:

/>/>

ВАХ с учетом процессов высокого уровня инжекции (при N=3)

/>/>

При протекании прямого тока в переходе преобладает диффузионная компонента тока, состоящая из основных носителей заряда, преодолевающих потенциальный барьер и пронимающих в область п/п, для которых они являются неосновными носителями. И в том случае, когда концентрация неосновных носителей существенно возрастет по сравнению с равновесной концентрации, начнут преобладать процессы инжекции. Таким образом, процессы инжекции связаны концентрацией неосновных носителей в п/п.

Исследование влияния процессов пробоя на вид ВАХ

Уточненная модель обратной ветви ВАХ диода с учетом процессов пробоя:

/>

IB– насыщенный ток пробоя

UB– напряжение пробоя

φТ– тепловой потенциал

Зависимость пробивного напряжения от:

(для плоского перехода)

а) тип материала (при NБ=2×1015см-3)

Материал

Ge

Si

Uпр, В

95,368

206,118

б) от концентрации легирующей примеси (для Ge)

NБ, см-3

4×1014

2×1015

1×1016

Uпр, В

318,882

95,368

28,522

Диапазоны токов, при которых начинают проявляться эффекты пробоя:

Ge Iобр= 0,1¸0,25 А

Si Iобр= 1¸1,15 А

График обратных ветвей ВАХ с учетом процессов пробоя:

/>

Плоский p-nпереход

Цилиндрический p-nпереход

Сферический p-nпереход

/>


/>

/>

При больших значениях Uобрток Iобрнезначительно возрастет до тех пор, пока напряжение не достигнет так называемого напряжения пробоя Uпр. после этого ток Iобрвозрастет скачкообразно.

Известные различные механизмы пробоя – тепловая нестабильность, туннельный эффект (явление Зенера) и лавинный пробой.

Именно лавинный пробой является наиболее важным, т.к. именно он обуславливает верхнюю границу напряжения на диоде.

Часть №3

Исследования влияние концентрации в базе и температуры на значение равновесной барьерной емкости Cj(при U=0)

а) Si

Т=300°К


N=2×1015см-3

N,см-3

W,мкМ

CJO,Ф


Т,°К

W,мкМ

    продолжение
--PAGE_BREAK--

CJO,Ф

4×1014

1,537

6,74×10-12


300

0,726

1,427×10-11

2×1015

0,726

1,427×10-11


350

0,696

1,88×10-11

1×1016

0,341

3,04×10-11


400

0,629

1,523×10-11

б)Ge

Т=300°К


N=2×1015см-3

N,см-3

W,мкМ

CJO,Ф


Т,°К

W,мкМ

CJO,Ф

4×1014

1,076

1,32×10-11


300

0,540

2,62×10-11

2×1015

0,540

2,62×10-11


350

0,499

2,84×10-11

1×1016

0,266

5,33×10-11


400

0,453

3,13×10-11

При изменении NБпри постоянной температуре барьерная емкость при нулевом смещении (CJO) как для Ge, так и для Siувеличивается. Также барьерная емкость увеличивается и при увеличении температуры (при постоянной NБ). Отличие заключается в том, что Siвеличина барьерной емкости меньше, чем для Ge.

Модель равновесной барьерной емкости:

/>

S– площадь поперечного сечения p-nперехода.

Исследование ВФХ барьерной емкости в зависимости от ее входных параметров

Модель барьерной емкости:

U<FC×φK

U³FC×φK

/>

/>

Где

А = (1-FC)1+М, В = 1-FC(1+М).

CJO– равновесная барьерная емкость (емкость при нулевом смещении)

    продолжение
--PAGE_BREAK--

φК– контактная разность потенциалов

М – коэффициент лавинного умножения

FC– коэффициент неидеальности ВФХ при прямом смещении

t– время переноса заряда.

/>

Т=300°К

NБ=var

Вариант

№1

№2

№3

М

0,5

0,5

0,5

φК

0,319

0,402

0,485

FC

0,5

0,5

0,5

CJO, Ф

1,32×10-11

2,62×10-11

5,33×10-11

При постоянной температуре (Т=300°К), при увеличении NБ(что в таблице соответствует увеличению контактной разности потенциалов) при неизменных коэффициентах Mи FC, барьерная емкость увеличивается (на графике имеются два участка – участок на котором емкость остается практически постоянной (увеличивается незначительно) и участок, на котором емкость возрастает линейно (возрастание тем сильнее, чем больше концентрация NБ).

/>

NБ= 2×1015см-3

Т = var

Вариант

№1

№2

№3

М

0,5

0,5

0,5

φК, В

0,402

0,343

0,283

FC

0,5

0,5

0,5

CJO, Ф

2,62×10-11

2,84×10-11

3,13×10-11

При постоянной концентрации (NБ= 2×1015см-3), при увеличении температуры (что в таблице соответствуют уменьшению φК) при неизменнык коэффициентах М и FC, барьерная емкость увеличивается (на графике также имеются два участка).

/>

NБ, Т,FC =const

M= var

Вариант

№1

№2

№3

М

0,1

0,5

1

φК, В

0,343

0,343

0,343

FC

0,5

0,5

0,5

CJO, Ф

2,84×10-11

2,84×10-11

2,84×10-11

При увеличении коэффициента лавинного умножения М, при неизменных Т, NБи FC, барьерная емкость увеличивается.

/>

NБ, Т, М=const

    продолжение
--PAGE_BREAK--

FC= var

Вариант

№1

№2

№3

М

0,5

0,5

0,5

φК, В

0,343

0,343

0,343

FC

0,4

0,5

0,6

CJO, Ф

2,48×10-11

2,48×10-11

2,48×10-11

При увеличении коэффициента неидеальности ВФХ при прямом смещении (FC) и при неизменных NБ, Т и М, барьерная емкость увеличивается.

/>


Ge(№1)

Si(№2)

φК, В

0,402

0,812

Сj, Ф

2,62×10-11

1,95×10-11

Для Ge(при постоянных Т и N, Т=300°К, NБ= 2×1015см-3) барьерная емкость больше, чем для Si.

Исследование ВФХ диффузионной емкости в зависимости от ее входных параметров

Модель диффузионной емкости:

/>

где t — время переноса заряда

а) NБ= 2×1015см-3б) Т=300°К

/>/>/>/>/>/>/>/>

а) При увеличении температуры увеличивается значение напряжения, начиная с которого диффузионная емкость резко увеличивается (при Т=300°К U=0,2В, а при Т=400°К U=0,5В).

б) При увеличении концентрации примеси в базе значение напряжения, начиная с которого диффузионная емкость резко возрастет, увеличивается незначительно (при NБ= 4×1014см-3U=0,5В, а при NБ= 1×1016см-3U=0,55В).

Для Geи Siзначения напряжения, при котором диффузионная емкость возрастает, резко отличаются:

U(Ge) = 0,5B

U(Si) = 1,4B

Исследование ВФХ барьерной и диффузионной емкости на совмещенном графике

/>

По совмещенному графику видно, что при обратных напряжениях на переходе преобладает барьерная емкость, а при прямых напряжениях – диффузионная емкость.

Площадь p-nперехода непосредственно учитывается в модели барьерной емкости:

/>

где />

S– площадь поперечного сечения p-nперехода.


еще рефераты
Еще работы по коммуникациям