Рефетека.ру / Коммуникации и связь

Лабораторная работа: 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 IS идеального 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 PSPICE модели диода

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

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

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

Часть №3

1. Исследования влияние концентрации в базе и температуры на значение равновесной барьерной емкости Cj0 (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-n переходов, 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 PSPICE в режиме работы на постоянном токе (DC режим).


Исходные данные:


п/п – Ge

NЭ = 1Ч1018 см-3; NБ = 2Ч1015 см-3.

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

Sзахв = 2Ч10-16 см-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 2Ч1017 1Ч1018 5Ч1018
Конц. см-3 4Ч1014 2Ч1015 1Ч1016
mосн см2/ВЧс 700 380 160
mосн см2/ВЧс 4500 4100 3800
mнеосн см2/ВЧс 2700 2000 1200
mнеосн см2/ВЧс 2000 1900 1500

Исследование зависимости времени жизни от концентрации легирующей примеси

Для Ge модель времени жизни носителей описывается формулой Шокли-Рида-Холла:


Модели полупроводниковых диодов

Модели полупроводниковых диодов


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


2Ч1017 1Ч1018 5Ч1018
4Ч1014 2Ч1015 1Ч1016
300
2,5Ч10-9 5Ч10-10 1Ч10-10
1,37Ч10-6 2,55Ч10-7 5,02Ч10-8
400
2,52Ч10-9 5,01Ч10-10 1Ч10-10
2,46Ч10-6 3,99Ч10-7 5,74Ч10-8
500
2,68Ч10-9 5,07Ч10-10 1Ч10-10
2,5Ч10-6 4,98Ч10-7 9,11Ч10-8

Модели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодов

Модели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодов


Т = 300°К; NЭ = 1Ч1018 см-3; NБ = 2Ч1015 см-3.





Ge tнеосн, сек 5Ч10-10 2,55Ч10-7
Si
5Ч10-10 2,54Ч10-7

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

Время жизни определяется количеством и типом рекомбинации ловушек. Оно max в 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 10-2ё10-10с.


Исследование свойств диффузионной длины неосновных носителей

Модель диффузионной длины неосновных носителей определяется выражением:

Модели полупроводниковых диодов


где D – коэффициент диффузии

t - время жизни носителей.




Эмиттер
База
Т°,К
N/5 N 5N
N/5 N 5N


2Ч1017 1Ч1018 5Ч1018
4Ч1014 2Ч1015 1Ч1016
300 Lнеосн, см 4,18Ч10-4 1,61Ч10-4 5,57Ч10-5
8,42Ч10-3 3,54Ч10-3 1,4Ч10-3
400
3,3Ч10-4 1,27Ч10-4 4,39Ч10-5
8,89Ч10-3 3,49Ч10-3 1,18Ч10-3
500
2,83Ч10-4 1,06Ч10-4 3,65Ч10-5
7,45Ч10-3 3,24Ч10-3 1,23Ч10-3

Модели полупроводниковых диодов

Модели полупроводниковых диодов


Если Lнеосн (Б) > L(Б), то диод с короткой базой.

Если Lнеосн (Б) < L(Б), то диод с длиной базой.

В нашем варианте рассматривается диод с короткой базой т.к.


Lнеосн (Б) = 3,54Ч10-5м, L(Б)=1Ч10-5м, Lнеосн (Б) > L(Б)).



Lнеосн (Э), см
Ge 1,609Ч10-4
Si 5,913Ч10-5

При смене типа материала с Ge на Si диффузионная длинна неосновных носителей в эмиттере уменьшается.

При увеличении сечения захвата на 1% (при фиксированных N и Т=300°К) диффузионная длина неосновных носителей в базе уменьшается на 0,56%.

Чем меньше примесей и дефектов в полупроводнике, тем больше время жизни носителей, и соответственно диффузионная длина этих носителей.


Исследование модели тока насыщения IS идеального диода в модели Шокли


Модель тока насыщения идеального диода описывается формулой Шокли:


Модели полупроводниковых диодов


где S – площадь поперечного сечения перехода

LP и Ln – диффузионная длина электронов и дырок

tP и tP – время жизни электронов и дырок

ND и NA – концентрация ионизированных атомов.


Т°,К
N/5 N 5N


Э,Б Э,Б Э,Б
300 IS Ч10-8 А 92,322 42,291 16,831
350
4451,08 2256,57 939,77
400
86050,17 41042,63 18968,06

Модели полупроводниковых диодов


Если сечение захвата увеличить на 1% (при фиксированных N и T=300°К), то ток насыщения увеличится на 0,5%.

Если площадь поперечного сечения увеличить на 1% (при фиксированных N и T=300°К), то ток насыщения увеличится на 1%

Таким образом, чувствительность тока насыщения к изменению к площади поперечного сечения выше, чем к изменению сечение захвата.

П/п диода выполняет роль выпрямителя, пропуская ток лишь в одном направлении (выпрямитель тем лучше, чем меньше Iобр). При комнатной температуре ток Is составляет несколько мкА для Ge диодов и несколько нА для Si диодов.


Исследование модели контактной разности потенциалов

Модель контактной разности потенциалов описывается следующим выражением:


Модели полупроводниковых диодов Модели полупроводниковых диодов

NA и ND – концентрация ионизированных атомов

ni – собственная концентрация.


Т°,К
N/5 N 5N
300 φК, В 0,3186 0,4020 0,4854
350
0,246 0,343 0,441
400
0,172 0,283 0,394

Модели полупроводниковых диодов


φК, В
Ge 0,402
Si 0,812

При смене типа материала с Ge на Si контактная разность потенциалов увеличивается.

Контактная разность потенциалов напряжение, который возникает в условии термодинамическом равновесие и ведет к прекращению диффузионного тока. При увеличении температуры, контактная разность уменьшается.


Исследование модели толщины ОПЗ

Модель толщины ОПЗ описывается выражением:


Модели полупроводниковых диодов


NA и ND – концентрация ионизированных атомов

φК – контактная разность потенциалов.


Т°,К
N/5 N 5N
300 W, мкМ 1,076 0,540 0,266
350
0,945 0,499 0,253
400
0,770 0,453 0,239

Модели полупроводниковых диодов


Зависимость положения границ ОПЗ


а) в зависимость от концентраций в Б и Э при Т=300°К


Модели полупроводниковых диодов


б) в зависимости от температуры при фиксированном N.


Модели полупроводниковых диодов



W, мкМ
Ge 0,540
Si 0,726

При смене типа материала с Ge на Si толщина ОПЗ увеличивается.

Зависимость толщины ОПЗ при Т=300°К от U при прямом и обратном смещениях напряжения на диоде.

U, В N/5 N 5N
Прямое 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

Модели полупроводниковых диодов Модели полупроводниковых диодов


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, WЇ). 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 PSPICE модели идеального диода

Модель ВАХ идеального диода:


Модели полупроводниковых диодов Модели полупроводниковых диодов


Is – ток насыщения

φT – тепловой потенциал.


Модель идеального диода в логарифмическом масштабе:


Модели полупроводниковых диодов


Модели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодов Модели полупроводниковых диодов


Модели полупроводниковых диодов


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

Модели полупроводниковых диодов


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


Модели полупроводниковых диодов

Модели полупроводниковых диодов

Модели полупроводниковых диодов


Для реальных переходов величина Is не 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 Is в 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 PSPICE модели диода

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


Модели полупроводниковых диодов


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:


Модели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодов


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

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


Ge Uпр = 0,62ё0,9 В Si Uпр = 1,8ё2,2 В

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

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 PSPICE модели диода

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


Модели полупроводниковых диодов


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

Is – ток насыщении

m – коэффициент неидеальности

φТ – тепловой потенциал


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

Зависимость Kinj от напряжения на диоде:


Модели полупроводниковых диодов Модели полупроводниковых диодов


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


Модели полупроводниковых диодов Модели полупроводниковых диодов


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:

Модели полупроводниковых диодов


IB0 – насыщенный ток пробоя

UB – напряжение пробоя

φТ – тепловой потенциал


Зависимость пробивного напряжения от:

(для плоского перехода)

а) тип материала (при NБ=2Ч1015см-3)


Материал Ge Si
Uпр, В 95,368 206,118

б) от концентрации легирующей примеси (для Ge)


NБ, см-3 4Ч1014 2Ч1015 1Ч1016
Uпр, В 318,882 95,368 28,522

Диапазоны токов, при которых начинают проявляться эффекты пробоя:


Ge Iобр = 0,1ё0,25 А Si Iобр = 1ё1,15 А

График обратных ветвей ВАХ с учетом процессов пробоя:

Модели полупроводниковых диодов


Плоский p-n переход Цилиндрический p-n переход Сферический p-n переход

Модели полупроводниковых диодов


Модели полупроводниковых диодов

Модели полупроводниковых диодов


При больших значениях Uобр ток Iобр незначительно возрастет до тех пор, пока напряжение не достигнет так называемого напряжения пробоя Uпр. после этого ток Iобр возрастет 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 Cj0 (при U=0)


а) Si

Т=300°К
N=2Ч1015 см-3
N,см-3 W,мкМ CJO,Ф
Т,°К W,мкМ CJO,Ф
4Ч1014 1,537 6,74Ч10-12
300 0,726 1,427Ч10-11
2Ч1015 0,726 1,427Ч10-11
350 0,696 1,88Ч10-11
1Ч1016 0,341 3,04Ч10-11
400 0,629 1,523Ч10-11

б) Ge

Т=300°К
N=2Ч1015 см-3
N,см-3 W,мкМ CJO,Ф
Т,°К W,мкМ CJO,Ф
4Ч1014 1,076 1,32Ч10-11
300 0,540 2,62Ч10-11
2Ч1015 0,540 2,62Ч10-11
350 0,499 2,84Ч10-11
1Ч1016 0,266 5,33Ч10-11
400 0,453 3,13Ч10-11

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


Модель равновесной барьерной емкости:


Модели полупроводниковых диодов

S – площадь поперечного сечения p-n перехода.


Исследование ВФХ барьерной емкости в зависимости от ее входных параметров

Модель барьерной емкости:


U<FCЧφK UіFCЧφK

Модели полупроводниковых диодов

Модели полупроводниковых диодов


Где


А = (1-FC)1+М, В = 1-FC(1+М).


CJO – равновесная барьерная емкость (емкость при нулевом смещении)

φК – контактная разность потенциалов

М – коэффициент лавинного умножения

FC – коэффициент неидеальности ВФХ при прямом смещении

t – время переноса заряда.


Модели полупроводниковых диодов


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 1,32Ч10-11 2,62Ч10-11 5,33Ч10-11

При постоянной температуре (Т=300°К), при увеличении NБ (что в таблице соответствует увеличению контактной разности потенциалов) при неизменных коэффициентах M и 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).


Модели полупроводниковых диодов


NБ = 2Ч1015 см-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 2,62Ч10-11 2,84Ч10-11 3,13Ч10-11

При постоянной концентрации (NБ = 2Ч1015 см-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).

Модели полупроводниковых диодов


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 2,84Ч10-11 2,84Ч10-11 2,84Ч10-11

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


Модели полупроводниковых диодов


NБ,Т,М = const 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 2,48Ч10-11 2,48Ч10-11 2,48Ч10-11

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


Модели полупроводниковых диодов



Ge (№1) Si (№2)
φК, В 0,402 0,812
Сj, Ф 2,62Ч10-11 1,95Ч10-11

Для Ge (при постоянных Т и N, Т=300°К, NБ = 2Ч1015 см-3) барьерная емкость больше, чем для Si.


Исследование ВФХ диффузионной емкости в зависимости от ее входных параметров

Модель диффузионной емкости:


Модели полупроводниковых диодов

где t - время переноса заряда


а) NБ = 2Ч1015 см-3 б) Т=300°К

Модели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодовМодели полупроводниковых диодов Модели полупроводниковых диодов


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 = 4Ч1014 см-3 U=0,5В, а при NБ = 1Ч1016 см-3 U=0,55В).

Для Ge и Si значения 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

Модели полупроводниковых диодов

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

Площадь p-n перехода непосредственно учитывается в модели барьерной емкости:


Модели полупроводниковых диодов


где Модели полупроводниковых диодов

S – площадь поперечного сечения p-n перехода.

Рефетека ру refoteka@gmail.com