ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯХ И ПРОЦЕССАХ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ Хабаровский институт инфокоммуникаций (филиал) ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет Телекоммуникаций и информатики» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К выполнению индивидуального задания По курсу «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ» Для студентов специальностей 210403.65, 210404.65, 210405.65, 210406.65 Хабаровск 2011
1. Цель и задачи индивидуального задания 4 2. Основные сведения о физических явлениях и процессах в полупроводниковых структурах 4 2.1. Вводные замечания 4 2.2. Основные понятия и уравнения твердотельной электроники 5 2.3. Электронно-дырочный переход 7 2.4. Структура металл-полупроводник 11 2.5. Структура металл-диэлектрик-полупроводник 14 3. Состав индивидуального задания 16 4. Указания по составлению пояснительной записки 17 4.1. Введение 17 4.2. Основная часть 17 4.3. Заключение 20 4.4. Библиографический список и требования к нему 21 Приложения 22 I. Варианты индивидуальных заданий 22 II. Темы рефератов 31 III. Пример оформления титульного листа 32 IV. Свойства кремния, германия и двуокиси кремния 33 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЗАДАНИЯ Индивидуальное задание (ИЗ) является промежуточным этапом в изучении курса «Физические основы микроэлектроники». Целью выполнения ИЗ являются: – выяснение физической сущности явлений и процессов, лежащих в основе работы различных полупроводниковых структур и дискретных полупроводниковых приборов, а также элементов интегральных микросхем (ИМС); – приобретение практических навыков расчета электрофизических характеристик полупроводниковых структур; – ознакомление со значениями параметров полупроводниковых материалов и их размерностями; – развитие навыков самостоятельной работы с научно-технической литературой.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯХ И ПРОЦЕССАХ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ 2.1. Вводные замечания В решении важнейших задач дальнейшего развития различных отраслей науки и техники исключительно большая роль отводится микроэлектронике, которая считается катализатором технического прогресса. Микроэлектроника родилась на стыке многих фундаментальных и прикладных наук, прежде всего физики, химии, математики, материаловедения и др. Специалист, работающий в области микроэлектроники, должен иметь знания о ее физических, технологических и схемотехнических основах. Микроэлектроника – это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку качественно нового типа электронных приборов – интегральных микросхем и принципов их применения. Основной задачей микроэлектроники является комплексная миниатюризация электронной аппаратуры – вычислительной техники, аппаратуры связи, устройств автоматики. Микроэлектронная технология позволяет резко расширить масштабы производства микроэлектронной аппаратуры, создать мощную индустрию информатики, удовлетворить потребности общества в информационном обеспечении. Интегральные микросхемы, являющиеся элементной базой микроэлектроники, предназначены для реализации подавляющего большинства аппаратурных функций. Их элементы, аналогичные обычным радиодеталям и приборам, выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в единый корпус. Все или часть элементов создаются в едином технологическом процессе с использованием групповых методов изготовления. Элементы полупроводниковой интегральной микросхемы – диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы – представляют собой совокупность различных полупроводниковых структур. К таким полупроводниковым структурам относятся: контакты металл-полупроводник, электронно-дырочные переходы, структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Физические явления и процессы в таких полупроводниковых структурах хорошо изучены и детально рассмотрены в научной и технической литературе.
2.2. Основные понятия и уравнения твердотельной электроники Температурный потенциал: , где k – постоянная Больцмана (k=1,38⋅10-23Дж/К); T – абсолютная температура (при температуре T=300К температурный потенциал имеет значение 0,026В, или 26мВ), q – заряд электрона (q=1,6⋅10-19Кл). Закон действующих масс: , где n – концентрация электронов; p – концентрация дырок; ni – концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике. Закон справедлив в случае термодинамического равновесия как для собственных, так и для примесных полупроводников. Потенциал, характеризующий уровень Ферми в полупроводнике, равен: или , где – потенциал, соответствующий середине запрещенной зоны полупроводника; , – объемные потенциалы. Таким образом, согласно данным выражениям, в собственных полупроводниках (n=p=ni) уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны, в электронных полупроводниках (n>ni) – в верхней половине, а в дырочных (р>ni) – в нижней половине запрещенной зоны. Уровень Ферми одинаков во всех частях равновесной системы, какой бы разнородной она ни была, т. е. =const. Закон полного тока в полупроводнике n-типа: в полупроводнике р-типа: где и – градиент концентраций дырок и электронов; подвижности дырок и электронов соответственно; и – коэффициенты диффузии дырок и электронов; – напряженность внешнего электрического поля. Соотношение Эйнштейна, показывающее связь между коэффициентом диффузии и подвижностью носителей заряда, , в полупроводнике n- и p-типа соответственно. Уравнение непрерывности для стационарных условий , выражающее закон сохранения частиц, для полупроводников n- и p-типа, соответственно. Здесь и – избыточные (неравновесные) концентрации носителей заряда; g – скорость генерации носителей заряда под действием внешних факторов, например света; и – время жизни избыточных носителей заряда. Время жизни неравновесных носителей заряда и равно промежутку времени, в течение которого их концентрация уменьшается в е раз. Диффузионная длина носителей заряда соответствует расстоянию, которое они проходят за время жизни и равна: и , где и – диффузионные длины электронов и дырок соответственно. Уравнение Пуассона, позволяющее определить распределение потенциала в среде, где - потенциал; – координата; – объемная плотность заряда; – диэлектрическая проницаемость среды, для полупроводника , где – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, – электрическая постоянная ( =8,85⋅10-12Ф/м).
2.3. Электронно-дырочный переход 2.3.1. Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – это контакт двух полупроводников с различным типом проводимости. Электропроводность полупроводников p-и n-типов определяется следующими выражениями: , (1) , (2) где – электропроводность полупроводников p- и n-типов; – концентрация акцепторов и доноров соответственно. Удельное сопротивление материала p-типа откуда (3) Аналогично концентрация доноров (4) При известных значениях и выражение для диффузионного потенциала (контактной разности потенциалов) может быть представлено в виде . (5) 2.3.2. Вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального p-n-перехода может быть описана следующим выражением: (6) где – ток насыщения; – приложенное напряжение. Ток насыщения определяется следующим выражением: (7) где S – площадь p-n-перехода. Когда , обратный ток насыщения определяется соотношением , (8) где W – ширина p-n-перехода. Аналогичное выражение можно получить и для случая, когда . Зависимость тока насыщения от температуры определяется выражением (9) где ; – ширина запрещенной зоны полупроводника; и – постоянные, определяемые свойствами полупроводника. Для p-n-перехода, сформированного на германии, . Для p-n-перехода, сформированного на кремнии, . 2.3.3. Определение дифференциального сопротивления p-n-перехода. Дифференцируя выражение (6) по напряжению и учитывая, что оно может быть представлено в виде , (10) можно получить . Если , то . Следовательно, дифференциальное сопротивление (11) или (12) При известном значении тока насыщения I0 расчет величины тока удобно производить с помощью выражения (11). 2.3.4. Определение барьерной емкости p-n-перехода. Величина удельной емкости резкого p-n-перехода в общем случае рассчитывается по формуле . (13) При этом толщина обедненного слоя (ширина p-n-перехода) определяется выражением , (14) где . Для линейно-плавных переходов (15) где – градиент концентрации примесей. Толщина обедненного слоя в этом случае находится по формуле (16) 2.3.5. Определение напряжения пробоя для несимметричного резкого p-n-перехода. Величина максимального значения напряженности электрического поля в p-n-переходе определяется по формуле (17) При заданном значении толщина обедненного слоя p-n-перехода может быть найдена как , где
Напряжение пробоя для резкого несимметричного перехода (18) где – концентрация примеси в высокоомной области p-n-перехода. Напряжение пробоя для линейно-плавных переходов (19) Оценка величины напряжения пробоя резкого p-n-перехода может быть сделана на основании приближенного выражения, справедливого для различных полупроводников: В. (20) Для линейно-плавных переходов величину напряжения пробоя можно оценить, используя соотношение В. (21) В выражениях (20), (21) размерность величин и а соответственно в см-3 и см-4, а ширины запрещенной зоны полупроводника в эВ.
2.4. Структура металл-полупроводник 4.1. Контакты на основе структуры металл-полупроводник обладают выпрямляющими свойствами в том случае, когда величина, равная разности работ выхода электронов из металла и полупроводника для полупроводника n-типа проводимости и для полупроводника p-типа проводимости. В этом случае обозначают и называют диффузионным потенциалом или контактной разностью потенциалов. Согласно общей теории переноса носителей заряда в структурах металл-полупроводник (теории термоэлектронной эмиссии – диффузии) выражение для плотности тока имеет вид . (22) Здесь – скорость термоэлектронной рекомбинации носителей заряда на границе раздела структуры металл-полупроводник ( – эффективная постоянная Ричардсона, – плотность электронных состояний в зоне проводимости полупроводника); – скорость дрейфа носителей заряда в обедненной области полупроводника ( – максимальное значение напряженности электрического поля в полупроводнике в области барьера Шоттки); – высота барьера Шоттки, равная для структуры металл-кремний n-типа проводимости, и для структуры металл- кремний p-типа проводимости. Максимальное значение напряженности электрического поля в полупроводнике рассчитывается по формуле (23) при условии , где W – толщина обедненного слоя полупроводника, U – напряжение смещения, т.е. . В условиях равновесия W определяется выражением , (24) где N – концентрация основных носителей заряда в полупроводнике. Если , то справедлива теория термоэлектронной эмиссии (теория Бете), и выражение для плотности тока (22) преобразуется к виду . (25) В том случае, когда , определяющим является процесс диффузии (теория Шоттки), и плотность тока с достаточной точностью вычисляется по формуле . (26) 2.4.2. Для структуры металл-полупроводник распределение потенциала в области барьера Шоттки можно считать треугольным и аппроксимировать функцией , (27) а распределение потенциальной энергии электрона , (28) где и – высота потенциального барьера в В и эВ, соответственно, т.е. высота барьера Шоттки. Тогда подстановка (28) в выражение для расчета вероятности квантовомеханического туннельного перехода электрона с энергией Е сквозь потенциальный барьер произвольной формы (29) позволяет получить выражение для расчета вероятности туннелирования электрона сквозь барьер Шоттки в виде . (30) В выражениях (29) и (30) – эффективная масса электронов в полупроводнике, кг; (Е – энергия электрона, туннелирующего из полупроводника в металл, эВ); h – постоянная Планка ( Дж⋅с); – напряженность электрического поля в полупроводнике, В/м, рассчитывается по формуле (23). 2.4.3. Барьерная емкость контакта металл-полупроводник определяется по формуле , (31) где S – площадь контакта металл-полупроводник.
2.5. Структура металл-диэлектрик-полупроводник 2.5.1. Структуру металл-диэлектрик-полупроводник можно рассматривать как конденсатор. Общую дифференциальную емкость МДП-структуры можно представить как последовательное соединение емкости диэлектрика Cd и переменной емкости Cn пространственного заряда у поверхности полупроводника (32) Емкость пространственного заряда Cn зависит от величины поверхностного потенциала и плотности заряда в приповерхностной области полупроводника . Для идеальной МДП-структуры, не учитывающей наличие поверхностных состояний и предполагающей, что сопротивление диэлектрика является бесконечным, заряд Qs можно выразить формулой (33) где – дебаевская длина, N – концентрация основных носителей заряда в полупроводнике. Условие ( ) перед этим выражением означает, что при следует воспользоваться знаком (+), а при – знаком (–). Таким образом, емкость пространственного заряда (34) где . 2.5.2. Для получения зависимости между приложенным к МДП-структуре напряжением U и общей емкостью C необходимо также знать зависимость между и U: (35) В (31) приняты следующие обозначения: UD – падение напряжения на диэлектрике; UПЗ – напряжение плоских зон. Падение напряжения на диэлектрике определяется выражением (36) С учетом разности работ выхода электрона из металла и полупроводника , а также при наличии поверхностных состояний Qss напряжение плоских зон определится как (37) 2.5.3. Максимальная толщина обедненного слоя в приповерхностной области МДП-структуры в режиме сильной инверсии определяется (38) где или Nd в зависимости от типа проводимости полупроводника: (39) Для МДП-транзисторов с изолированным затвором важной величиной является напряжение включения или пороговое напряжение Uпор, при котором начинается сильная инверсия: . (40) В выражениях (39), (40) – объемный потенциал. Соответствующе Uпор значение дифференциальной емкости идеальной МДП-структуры равно , (41) где d – толщина диэлектрического слоя; – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
Популярное: Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (268)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |