Модели полупроводниковых диодов (стр. 1 из 3)
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 = 1×1018 см-3; NБ = 2×1015 см-3.
- LБ = 10мин; LЭ = 2мин; W = 500мин; H = 200мин.
- Sзахв = 2×10-16 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 | 2×1017 | 1×1018 | 5×1018 | Конц. см-3 | 4×1014 | 2×1015 | 1×1016 |
| mосн см2/В×с | 700 | 380 | 160 | mосн см2/В×с | 4500 | 4100 | 3800 |
| mнеосн см2/В×с | 2700 | 2000 | 1200 | mнеосн см2/В×с | 2000 | 1900 | 1500 |
1. Исследование зависимости времени жизни от концентрации легирующей примеси
Для Ge модель времени жизни носителей описывается формулой Шокли-Рида-Холла:
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 | |||
| | |||||||
| NЭ | NБ | ||
| 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 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 10-2¸10-10с.
2. Исследование свойств диффузионной длины неосновных носителей
Модель диффузионной длины неосновных носителей определяется выражением:
где D – коэффициент диффузии
t - время жизни носителей.
| Эмиттер | База | ||||||
| Т°,К | N/5 | N | 5N | N/5 | N | 5N | |
| 2×1017 | 1×1018 | 5×1018 | 4×1014 | 2×1015 | 1×1016 | ||
| 300 | Lнеосн, см | 4,18×10-4 | 1,61×10-4 | 5,57×10-5 | 8,42×10-3 | 3,54×10-3 | 1,4×10-3 |
| 400 | 3,3×10-4 | 1,27×10-4 | 4,39×10-5 | 8,89×10-3 | 3,49×10-3 | 1,18×10-3 | |
| 500 | 2,83×10-4 | 1,06×10-4 | 3,65×10-5 | 7,45×10-3 | 3,24×10-3 | 1,23×10-3 | |
 |  |
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) = 3,54×10-5м, L(Б)=1×10-5м, Lнеосн (Б)>L(Б)).
| Lнеосн (Э), см | |
| Ge | 1,609×10-4 |
| Si | 5,913×10-5 |
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.
3. Исследование модели тока насыщения ISидеального диода в модели Шокли
Модель тока насыщения идеального диода описывается формулой Шокли:
где S – площадь поперечного сечения перехода
LPи Ln – диффузионная длина электронов и дырок
tPи tP – время жизни электронов и дырок
NDи NA – концентрация ионизированных атомов.
| Т°,К | N/5 | N | 5N | |
| Э,Б | Э,Б | Э,Б | ||
| 300 | IS×10-8 А | 92,322 | 42,291 | 16,831 |
| 350 | 4451,08 | 2256,57 | 939,77 | |
| 400 | 86050,17 | 41042,63 | 18968,06 |
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.
4. Исследование модели контактной разности потенциалов
Модель контактной разности потенциалов описывается следующим выражением:
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 |
| 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.
5. Исследование модели толщины ОПЗ
Модель толщины ОПЗ описывается выражением:
NA и ND – концентрация ионизированных атомов