Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
1.1.Настоящее Положение разработано в соответствии с п.3 пп.13 ст.28, п.3 ч.2 ст.29 Федерального закона от 29 декабря 2012 года № 273-ФЗ «Об образован...полностью>>
'Документ'
заместитель министра – начальник управления 1 1  718 квартира 30,5 РФ автомобиль легковой Дэу Матиз - - - квартира,...полностью>>
'Документ'
д. Администрация июнь - август 3 Провести косметический ремонт ХЭК Кировского РОО до 1 августа 4 Обеспечить необходимое освещение в классах, учебных м...полностью>>
'Решение'
Данный фестиваль проводится в рамках инновационного проекта правительства г. Москвы «Открытая сцена», в целях развития и продвижения молодежного театр...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Севастопольский Национальный Технический Университет

Департамент ЭЛТ

Курсовая работа

на тему:

Расчёт параметров
полупроводникового диода”

Выполнила: ст. гр. ЭЛТ-32д

Чуркина Т.И.

Принял: проф. Гусев В.А.

г. Севастополь

2002 г.

Содержание:

Задание…………………………………………………………………..3

1. Теоретическая часть

1.1. Технология изготовления планарного диода……………….….4

    1. Расчёт конструктивных параметров диода……………………14

    2. Расчёт физических параметров материала………………….…14

    3. Расчёт обратных токов………………………………………….16

    4. Температурная зависимость обратных токов…………………17

    5. Напряжение пробоя. Температурная зависимость лавинного пробоя………………18

    6. Температурная зависимость теплового пробоя ……………...19

    7. Расчёт прямого падения напряжения………………………….19

    8. Температурная зависимость прямого падения напряжения….20

    9. Расчёт вольт-фарадной характеристики……………………….21

    10. Зависимость добротности от частоты………………………….21

    11. Расчёт импульсных характеристик…………………………….22

  1. Практическая часть

    1. Исходные данные………………………………………………..23

    1. Расчёт параметров полупроводникового диода……………….24

    1. Расчёт обратных токов…………………………………………..27

    2. Температурная зависимость обратных токов………………….28

    3. Температурная зависимость теплового пробоя …………….…29

    4. Расчёт прямого падения напряжения…………………………..29

    5. Температурная зависимость прямого падения напряжения….30

    6. Расчёт вольт-фарадной характеристики……………………….31

    7. Добротность кремниевого диода ………………………………33

    8. Расчёт импульсных характеристик диода с ограниченной базой ……………………………………..……………………………...36

    9. Расчёт импульсных характеристик диода с полубесконечной базой ……………………………………………………………..38

3. Список использованной литературы…………………………………41

Задание.

  1. Расчет параметров диода.

  2. Расчет температурной зависимости ,

  3. Расчет температурной зависимости.

  4. Расчет вольт - фарадной характеристики .

  5. Расчет частотной зависимости добротности (при).

  6. Расчет температурной зависимости.

  7. Расчет зависимости .

  8. Расчет зависимости.

Режимы измерения.

:

Режимы переходных процессов.

при

при

Температурный диапазон.

Материал Si (кремний), Sкр=[2.52.5] мм2

Вариант структуры n+–p–p+

31 вариант

RSE, Ом/

25

B, Омсм

5

B, мкс

6

+п, Омсм

10-2

,смс

10

Wэпи,мкм

10

Xj,мкм

3

d, мкм

300

R,см

0.1

RT0,KмВт

1

Рmax, мВт

300

ES, c

10-7

SK, Oмсм-2

10-3

Технология изготовления планарного диода.

В технологии полупроводниковых интегральных микросхем от­дельные элементы получают путем целенаправленного изменения свойств материала подложки легированной примесью. Базовой техно­логией является эпитаксиально-планарная технология. Современная планарная технология включает ряд последовательных этапов изго­товления ППИМС: выращивание на поверхности кремниевой подложки эпитаксиального слоя, окисление поверхности кремния, фотолитогра­фию, диффузию, осаждение тонких металлических пленок контактного слоя.

Создание микросхем начинается с подготовки п/п пластин. Их получают путем разрезания монокристаллических п/п слитков цилин­дрической формы с последующей шлифовкой, полировкой и химическим травлением для удаления верхнего дефектного слоя и получения зер­кальной поверхности с шероховатостью (высотой неровностей) 0.03...0.05 мкм. Диаметр пластин не превышает 150 мм, толщина около 0.5 мм, допустимый прогиб и отклонение от параллельности поверхностей не более 10 мкм по всему диаметру. Пластины характеризуются типом (n или p) электропроводности, удельным сопротивлением, а также кристаллографической ориентацией поверхности.

Для последующих операций исключительно важна чистота повер­хности, поэтому перед началом, а также неоднократно в течение технологического цикла производят очистку поверхности. Эффектив­на ультразвуковая очистка, когда пластины погружают в ванну с растворителем, перемешиваемым с помощью ультразвука.

Рассмотрим процесс изготовления планарного п/п диода: уровень легирования исходной пластины (подложки) зависит от предельной концентрации примеси.

Предельная растворимость:

Сурьма (Sb) - 61019 см-3

Фосфор (P) - 1.51021 см-3 (Т=1100-1300 oС)

Мышьяк (As) - 31021 см-3

Обычно подложки делают на уровне N не более 51019 см-3 из-за сложности получения эпитаксиальной пленки, а также из-за труднос­ти контроля и воспроизводимости обратной диффузии из подложки в эпитаксиальный слой.

После резки слитка на пластины на поверхности пластин ос­таются следы гофрообразной формы глубиной порядка 10 мкм и разру­шенная кристаллическая структура, однако, так как для дальнейше­го использования необходимо шероховатость поверхности пластины не более 0.01 мкм, то пластины сначала притирают с обеих сторон очень мелкозернистой шлифовальной пастой на двукратную глубину гофрообразных следов и после этого полируют. Для этого их загру­жают в концентрический планетарный механизм из листового металла, который движется между чугунными шлифовальными кругами по цик­лоидной траектории. В механизм непрерывно подают абразивную сус­пензию (масляная или водная суспензия окиси алюминия, карбида кремния или алмазная паста с диаметром зерен 0.25-8 мкм). Так как полировка представляет собой чисто механический процесс, то ос­таются все же мельчайшие следы обработки. Поэтому применяют еще специальное травление (химическое полирование), которое служит для удаления поверхностного слоя подложки, поврежденного во вре­мя предшествующей обработки (резка, шлифовка и полировка), а так­же для растворения обломков кремния, расположенных на поверхнос­ти. Во время этого процесса происходит обнажение неповрежденной кристаллической структуры полупроводника, так как несовершенства кристаллической структуры служат центрами рекомбинации носителей заряда и могут ухудшать электрические параметры элементов схемы. После обезжиривания и тщательной промывки кремниевые пластины подготовлены для проведения эпитаксиально-планарных процессов.

Процесс наращивания на пластину (подложку) монокристалличес­кого слоя (эпипленки), повторяющего структуру подложки и ее крис­таллографическую ориентацию, называется эпитаксией. Обычно приме­няется газофазная эпитаксия, осуществляемая в эпитаксиальном реакторе. Высокотемпературная эпитаксия представляет собой термо­химический процесс. Кремний получают термическим разложением тет­рахлорида кремния в атмосфере водорода при температуре 1150-1250 oС:

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl

Или восстановлением трихлорсилана:

SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl

Одновременно на основе определенных добавок галогенидов ле­гирующих элеметов (BCl3, AsCl3, PCl3) к газовой смеси, например

2BCl3 + 3H2 = 2B + 6HCl,

можно получать определенное сопротивление и тип проводимости в выращенных слоях. При высокотемпературной эпитаксии может прои­зойти диффузия примесей из подложки. Но если необходимы эпитак­сиальные слои с резким профилем примесей, используют низкотемпе­ратурную эпитаксию: двухступенчатый процесс, при котором за ко­роткой высокотемпературной фазой (2 минуты при 1175 oС) следует продолжительная низкотемпературная фаза (45 минут при 1050 oС) или пиролиз силана при 950 oС:

SiH4 = Si + 2H2.

Рис.1. Пластина кремния с эпитаксиальным слоем.

Следующий этап - окисление. Имеются две основные разновид­ности термического окисления кремния: 1) высокотемпературное окисление в атмосфере сухого кислорода или увлажненных газов (кислорода, азота, аргона), а также водяного пара при атмосфер­ном давлении; 2) окисление в парах воды при высоком давлении и температуре 500-800 oС. Чаще всего используют комбинированное окисление кремниевых пластин. Вначале выращивают тонкий слой SiO2 в сухом кислороде, затем наращивают более толстый слой во влаж­ном кислороде. И, наконец, завершают процесс окисления снова об­работкой в сухом кислороде.

Такое комбинированное окисление обес­печивает, с одной стороны, получение необходимых свойств границы раздела Si - SiO2 и слоя SiO2 и, с другой стороны, при мини­мальных температурах и в возможно более короткое время выращива­ние слоя SiO2 требуемой толщины. Сокращение же цикла окисления и снижение температуры окисления нужны для того, чтобы свести к ми­нимуму перераспределение примесей при проведении процессов окис­ления и, следовательно, сохранить геометрию и свойства p-n пере­хода.

Рис. 2. Окисление пластины кремния.

При термической обработке в атмосфере сухого кислорода обра­зование окисла идет в соответствии с реакцией:

Si + O2 = SiO2

В присутствии небольшого количества паров воды процесс окис­ления ускоряется и протекает согласно реакции:

Si + 2H2O = SiO2 + 2H2

Операция окисления выполняется в диффузионной печи при тем­пературе 1000-1200 oС. Интенсивность окисления убывает с увеличе­нием толщины слоя окисла. Рост толщины слоя описывается линей­но-параболическим законом: x2 + k1x = k2t, где x - толщина окис­ла, k1 и k2 - константы, а t - время. При окислении в состав окисла переходит часть материала подложки. Толщина этого слоя кремния составляет примерно 0.44 полной толщины оксидной пленки. Минимально необходимая для эффективной защиты кремния от диффу­зии примесей толщина оксидной пленки зависит от температуры, дли­тельности процесса. Считают, что при диффузии бора достаточна толщина маски 0.4...0.5 мкм.

Применение планарной технологии на кремнии дает возможность сочетать термическое окисление с процессом перераспределения при­меси (вторая стадия диффузии), поскольку оба эти процесса могут осуществляться при одной и той же температуре, выбранной с уче­том требований к диффузионным слоям.

Для локального внедрения примесей легированием на основе диффузии необходимо формирование с помощью фотолитографии релье­фа оксидного слоя, действующего как маска. Фотолитографией назы­вают формирование фотохимическими методами рисунков требуемых конфигураций из тонких пленок различных материалов (маскирующих, проводящих, диэлектрических, резистивных). Рисунок топологическо­го слоя в процессе фотолитографии задает фотошаблон - выполнен­ное на прозрачном материале изображение технологического слоя в масштабе 1:1 по отношению к размерам интегральной микросхемы. Технология фотолитографического процесса состоит из следующих операций, выполняемых в определенной последовательности:

1) Очистка поверхности пластины с нанесенным оксидом. Для это­го используются растворители. Рекомендуется обработка в парах трихлорэтилена, кипячение в азотной кислоте, кипячение в деиони­зованной воде с ультразвуковой обработкой и термообработка.

2) Нанесение фоторезиста. Фоторезист - это пленкообразующий ма­териал, растворимость которого изменяется под воздействием света. Различают позитивный и негативный фоторезист. Позитивный фоторе­зист под воздействием света становится растворимым, а негативный, наоборот, в результате фотополимеризации переходит в нераствори­мое состояние. Толщина фоторезиста обычно составляет 0.2...0.6 мкм.

3) После высыхания фоторезиста, на него накладывается фотошаб­лон, сквозь который происходит облучение ультрафиолетовым светом – экспонирование. Фотошаблон зачернен на тех участках, на кото­рых необходимо вскрыть окна в слое оксида.

Рис.3. Экспонирование фоторезиста.

4) Проявление фоторезиста химической обработкой в специальных проявителях: водные растворы едкого натрия или тринатрийфосфата (для позитивных фоторезистов) и трихлорэтилен, толуол, хлорбен­зол (для негативных фоторезистов).

5) Задубливание. Эта операция необходима для окончательной по­лимеризации оставшегося рельефа фоторезиста и улучшения адгезии фоторезиста к подложке; осуществляется термообработкой при 120 oС в течение 20 минут.

6) Травление оксида кремния. Оксид кремния хорошо травится водным раствором плавиковой кислоты, но при этом из-за интенсив­ного выделения пузырьков SiF4 пленка защитного фоторезиста от­слаивается от SiO2 и разрывается у границ вытравливаемых окон, в результате наблюдается сильное растравливание слоя SiO2. Во избе­жание этого применяют травители, содержащие кроме HF соли плави­ковой кислоты (NH4F, KF, NaF), называемые буферными.

7) Удаление фоторезиста. Фоторезист удаляют двух- или трехразо­вым кипячением по 5-10 минут в концентрированной H2SO4 или "хро­мовой смеси" (H2SO4 + двухромовокислый калий). Позитивный фоторе­зист можно удалить также холодным 10-15%-ным раствором едкого ка­лия; но подложку после этого необходимо тщательно промыть.

Когда кипячение в H2SO4 недопустимо, например при наличии Al, применяют кипячение в органических растворителях, чаще в трихлорэтане.

После этого пластины кремния промывают в деионизованной во­де с использованием ультразвука, затем сушат при температуре 120 oС.

Рис. 4. Травление оксида кремния.

При выращивании кремниевых полупроводниковых монокристаллов с помощью одновременного легирования изготавливают однородные подложки с определенным типом проводимости и удельным сопротивле­нием. На таких подложках выращивают эпитаксиальные равномерно ле­гированные слои. Целью легирования является равномерное распреде­ление примеси.

Диффузия применяется для локального изменения концентрации примеси в монокристалле кремния и является в настоящее время важ­нейшим технологическим процессом при изготовлении полупроводнико­вых структур.

Диффузия примесей- это технологическая операция легирова­ния - введения примесей в пластину или эпитаксиальную пленку. При высокой температуре (около 1000 oС) примесные атомы поступают че­рез поверхность и распространяются вглубь вследствие теплового движения.

Основной механизм проникновения примесного атома в кристал­лическую решетку состоит в последовательном перемещении по вакан­сиям (пустым узлам) решетки. Возможны также, хотя и менее вероят­ны, перемещения по междоузлиям и обмен местами с соседними атома­ми. С другой стороны, известно, что атом примеси электрически ак­тивен, т.е. выполняет функцию донора или акцептора, только в том случае, если он занимает место в узле. Следовательно, для получе­ния сильнолегированных областей и (или) сокращения времени диффу­зии необходимо иметь высокую концентрацию вакансий в поверхнос­тном слое пластины. При нормальной температуре она очень мала (107 см-3), но при температуре 500...1200 oС достигает 1021 см-3 за счет поверхностного испарения атомов, диффузии атомов основно­го материала из глубины пластины к ее поверхности (что эквивален­тно "диффузии" вакансий от поверхности вглубь), а также смещения атомов в междоузлия вследствие тепловых колебаний решетки.

Диффузия осуществляется через защитную маску из двуокиси кремния донорами (элементы для создания n-проводимости, например, фосфор, мышьяк, сурьма) или акцепторами (элементы для создания p-проводимости, например, бор, галлий, индий, алюминий). Однако фронт продиффундировавших атомов примеси в полупроводниковой под­ложке резко не выражен, так как вследствие статистического рас­пределения тепловой энергии атомов примеси их концентрация уменьшается вглубь кристалла. Если при внедрении в подложку фронт диффузии округляется, то на поверхности подложки он распростра­няется концентрически. При этом, как следует из рисунка, зона диффузии становиться больше, чем окно в окисном слое. Этот факт необходимо принимать во внимание при выборе размеров окон диффу­зии для уменьшения взаимного влияния рядом лежащих диффузионных областей.

Рис. 5. Диффузия донорной примеси.

Примеси характеризуются коэффициентом диффузии D, определяю­щим плотность потока диффундирующих атомов: F = - DgradN. Это первый закон диффузии (первый закон Фика). В планарной тех­нологии ограничиваются обычно рассмотрением одномерной задачи - диффузии примеси в глубь подложки, перпендикулярно ее поверхнос­ти. Если с этим направлением совпадает координата x, то можно за­писать так:

F = - D(dN/dx).

Рассматривая процесс диффузии, необходимо знать изменение концентрации примеси в зависимости от времени и расстояния. Эти зависимости выводятся из первого закона и называются вторым зако­ном диффузии (второй закон Фика):

(dN/dt)=D(d2N/dx2).

Коэффициент диффузии характеризует скорость диффузии данной примеси в данном материале. Изменение коэффициента диффузии с температурой описывается экспоненциальной зависимостью

D=Doexp(dE/kT),

где dE - энергия активации процесса диффузии.

Зависимость D(T) позволяет оценить необходимую степень ста­бильности температуры в зоне диффузии. Практически в диффузион­ных печах нестабильность температуры лежит в пределах ± (0.5...0.25) oС.

Другой параметр примесей - предельная растворимость (макси­мально допустимая концентрация примесей Nпред) в отличие от D незначительно увеличивается с ростом температуры (в 2...3 раза на каждые 300 oС при T < 1300 oС). Она составляет примерно 1020...1021 при T = 1100 oС.

При технической реализации процесса различают две принци­пиальные возможности классической диффузии: диффузию из газовой фазы (из бесконечного источника) и диффузию из твердой фазы (из конечного источника).

В связи с этим диффузионные установки принципиально разли­чаются тем, что в качестве источника примеси применяют твердые, жидкие или газообразные соединения.

Диффузия из постоянного (бесконечного) источника. В этом случае концентрация примеси у поверхности раздела поддерживается постоянной N(0,t) = const = No. Это значит, что уменьшение числа атомов примеси, уходящих в объем полупроводника через повер­хность раздела, никак не отражается на концентрации их у повер­хности. Источником атомов диффузанта в этом случае является по­ток газа, омывающий полупроводниковые подложки в зоне диффузии диффузионной печи. Уменьшение числа атомов, уходящих в подложку, составляет незначительную часть по отношению к общему числу ато­мов в объеме газа. Таким образом, условие выполняется достаточно точно. Решение уравнения диффузии для данного случая имеет вид:

.

По мере протекания диффузии примесь проникает все глубже в подложку. Очевидно, что при бесконечно большом времени диффузии концентрация No, имеющаяся у поверхности подложки, установилась бы во всем объеме полупроводника. Получение нужного профиля кон­центрации легирующей примеси становиться возможным, если в опре­деленный момент времени остановить диффузию, охладив подложку. Охлаждение подложки даже на 100 ±С практически прекращает про­цесс, а при нормальной температуре полученный профиль концентра­ции будет сохраняться неизменным практически сколь угодно долго.

Рис. 6. Установка для проведения диффузии.

Диффузия из ограниченного источника. Условия, налагаемые на процесс диффузии, в этом случае сводятся к тому, что полное коли­чество атомов примеси, участвующих в диффузии на протяжение все­го процесса, остается постоянным. Поэтому процесс сводится к пе­рераспределению определенного количества атомов примеси в объеме полупроводника. Достигается это введением некоторого количества диффузанта на поверхность и в тонкий приповерхностный объем по­лупроводника, это называют "загонкой" примеси. После этого под­ложки прогреваются без введения дополнительной примеси, происхо­дит перераспределение диффузанта и проникновение его в глубь под­ложки. Этот этап процесса называется "разгонкой" примеси. При этом, естественно, концентрация примеси у поверхности убывает. Закон изменения концентрации примеси во времени и по глубине под­ложки определяется соотношением:

где Ns - поверхностная концентрация предварительно нанесенной примеси.

После окончания процесса диффузии в определенную диффузион­ную область неизбежны повторные циклы нагрева подложки. Учитывая, что аргументом, определяющим профиль концентрации, является произведение Dt (где коэффициент диффузии D, зависящий от темпе­ратуры, имеет различные значения в разных циклах диффузии), эф­фективное значение аргумента Dt можно определить из соотношения



Похожие документы:

  1. Г. Я. Михальченко К. т н., с н. с., зав отделом электропривода и автоматизации промышленных установок тусур

    Реферат
    ... что для расчёта электрической энергии, ... кратковременной работы tР.СТ , ближайшему к ... люминесцентных ламп полупроводниковыми диодами, своевременная очистка ... равновесными параметрами состояния. Внутренние параметры характеризуют ... проходит грязевик Гр, где ...
  2. Программа всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых научная сессия тусур 2010

    Программа
    ... , Е.П. Ворошилин, к.т.н., ст. препод. каф. РТС ... , студент гр. 237-3, ... Полупроводниковых Приборов». Влияние конструкции полупроводникового кристалла на характеристики излучающих диодов ... . Анализ, расчёт, конструирование, ... первичных параметров прямоугольных ...
  3. К совместному приказу Минэкономразвития России и Федерального казначейства “Об утверждении порядка размещения на официальном сайте планов-графиков размещения за (2)

    Документ
    ... учёта и расчёта различных видов трудового ... , содержащих полупроводниковые компоненты, независимо ... рт. ст. Датчик ... формирования таблеток 100 гр. Сменный осушитель ... включает лазерный диод с воздушным ... реальном времени параметров движения автомобилей и ...

Другие похожие документы..