q -saturační proud ovlivňuje nárazovou ionizaci. Šířka přechodu: w Ge 0,7 w Si (pro N D,A,Ge N D,A,Si ); vliv U D

UMEL FEKT VUT V BRNĚ

J.Boušek / Elektronické součástky / P4

Napěťový průraz polovodičových přechodů

Tunelový průraz

Zvyšování napětí na přechodu

Velmi úzký přechod (= potenciálová bariéra) - pravděpodobnost tunelování.

U (!!)

- přechod se rozšiřuje, ale pouze s - intenzita elektrického pole roste - překročení kritické hodnoty U(BR)

Dostatek elektronů na jedné straně bariéry a dostatek volných stavů na stejné energetické úrovni na druhé straně bariéry.

- vzrůstu závěrného proudu, průraz

Tunelování může probíhat v propustném i v závěrném směru.

Mechanismus průrazu ovlivňuje šířka a typ přechodu a materiál polovodiče

Závislost na materiálu – vliv EG

Základní rozdělení

Ge: UD ≈ 0,25 V ;

- průraz tunelový (Zenerův)

Si:

UD ≈ 0,6 V ;

Ekrit = 2,2÷3 ⋅ 107 Vm-1

;

UBR < 2,8 V

Ekrit = 1,2÷1,4 ⋅ 108 Vm-1 ;

UBR < 4,5 V

- průraz lavinový

UBR < 4EG/q - saturační proud ovlivňuje nárazovou ionizaci.

- průraz tepelný

Šířka přechodu: wGe ≈ 0,7 wSi (pro ND,A,Ge ≈ ND,A,Si); vliv UD.

- průraz povrchový FEKT VUT v Brně

ESO / P4 / J.Boušek

1

FEKT VUT v Brně

Tunelový průraz v závěrném směru neobsazené stavy

hustota stavu

P

Poloha EF u velmi bohatě dotovaných polovodičů: - ve valenčním pásu u P typu - ve vodivostním pásu u N typu

d

majoritní elektrony

2

Tunelový průraz v propustném směru

NA , ND > 1017 cm-3

minoritní elektrony


P EC EF

majoritní díry

N

EV

Oboustranně velmi bohatě dotovaný přechodu PN: - ohyb pásů je velký (velké difúzní napětí) - obsazené stavy ve vodivostním pásu N a volné stavy v P - existuje možnost tunelování v propustném směru - tunelová dioda - záporný diferenciální odpor

tunelování

Ei

qU R

EC EF

minoritní díry

Ei

N

energetické stavy obsazené elektrony

EV

w

(a) u = 0

(b) u > U R

R

Z

EG se s rostoucí teplotou zmenšuje (Si: 2,8.10-4 eV/K): - průrazné napětí klesá záporný teplotní součinitel FEKT VUT v Brně


3

FEKT VUT v Brně

Tunelový průraz v propustném směru


4

Tunelový průraz v propustném směru Překrytí volných a obsazených hladin:

U=0

U>0

U>0

zmenšuje se

maximální V termodynamické rovnováze

minimální Tunelování v závěrném směru FEKT VUT v Brně

Tunelování v propustném směru


U>0

U>0

U>0

U<0

žádné Difúze přes potenciálovou bariéru

5

FEKT VUT v Brně

1


6



Lavinový průraz přechodu PN


Přechod je mnohem širší než střední volná dráha elektronu:

Průrazné napětí:

Nosiče získají v elektrickém poli energii pro nárazovou ionizaci atomů krystalové mříže - generaci párů elektron-díra.

- s rostoucí koncentrací příměsí klesá

U širokých přechodů může dojít k několika srážkám za sebou:

- závisí na gradientu koncentrace (rozložení elektrického pole)

Množství nosičů vzniklých ionizací lavinově roste.

- u jedné diody až do 3000 V, pro větší UBR sériové řazení diod

s M− − r

Multiplikační činitel

1

Vliv teploty:

 U  1− R   U ( BR ) 

n

- kmity krystalové mříže brání pohybu nosičů

r

- získání energie k ionizaci = větší intenzita elektrického pole

nosičů vystupující

- průrazné napětí s teplotou roste (kladný teplotní součinitel)

UR napětí na přechodu U(BR) průrazné napětí

(n je empirický exponent) FEKT VUT v Brně

s nosiče vstupující


7

FEKT VUT v Brně



8

Lavinový průraz přechodu PN Lavinový průraz má většina polovodičových přechodů. Čistě lavinový průraz jen pro UBR > 6EG/q (Si: UR > 6,7 V ; Ge UBR > 4,2 V pro Ge) Pro 4EG/q < UBR < 6EG/q : - lavinový + tunelový průraz současně - teplotní závislosti se navzájem kompenzují. - využití pro referenční stabilizační diody : UBR ≈ 5,6 V

FEKT VUT v Brně


9

FEKT VUT v Brně

Tepelný průraz přechodu PN

T j −Ta Rth

Závěrný proud (≈ Pj) roste s teplotou exponenciálně. Odváděný výkon (Pa) závisí na teplotě lineárně.

Odvod tepla chlazením Tj , Ta …teplota přechodu PN, teplota okolí Rth ...tepelný odpor mezi přechodem a okolím.

Nad Tkr - generované teplo je větší než odváděné

Kladná zpětné vazba : Vzniklé teplo je větší než odváděné !!!!! Teplota přechodu se zvyšuje

Top až Tkr - odváděné teplo je větší než teplo generované

závěrný proud roste

Tj = Top - stabilní stav

větší ztrátový výkon nadměrný ohřev přechodu FEKT VUT v Brně


10


Ztrátový výkon způsobený závěrným proudem: Pj = UR IR

Pa −


tepelný průraz.

Podmínka stabilního stavu 11

FEKT VUT v Brně

2

∂Pj ∂Pa < ∂T j ∂T j


12




Povrchový průraz přechodu PN

Ohřev struktury (Ti … intrinsická teplota): T =Ti ..začnou se uplatňovat tepelně generované nosiče T>Ti ..generace nosičů nezávisí na velikosti elektrického pole Lokální růst teploty mesoplasma

Povrch polovodiče: - nečistoty a poruchy - nerovnoměrné rozložení elektrického pole - lokální průrazy - rozvinutí lokálních průrazů do celého přechodu

lokální zvýšení proudové hustoty druhý průraz (second breakdown)

Poškození struktury druhým průrazem: - teplota mesoplasmy ( Tm ) překročí teplotu tání křemíku - Tm překročí eutektickou teplotu slitiny křemíku s kontaktem - tepelný šok, porušení krystalické mřížky, praskliny

Pasivace povrchu homogenní vrstvou s definovanou vodivostí: - rovnoměrné rozložení elektrického pole - nevznikají lokální průrazy Poznámka: Povrchový průraz obvykle nelze diagnostikovat multimetrem. Je zapotřebí napětí v řádu 100 V.

Řešení - rovnoměrné rozdělení proudové hustoty : - dobrá geometrie přechodu + minimum poruch - dobré lavinové vlastnosti přechodu (lavinová dioda) - významné u tranzistorů a výkonových diod FEKT VUT v Brně


13

FEKT VUT v Brně

Výroba polovodičových přechodů slitinová technologie -


14

Výroba polovodičových přechodů slitinová technologie -

Pro vytvoření oblasti tyu P v materiál typu N se používá indium (In, trojmocný kov, taje při 155o C ; Al – tvoří rekombinační centra) Postup: - nanesení india na část substrátu N - žíhání v inertní atmosféře (Ge - 550°C) - roztavení a vytvoření slitiny - vychladnutí a rekrystalizace Část india zůstává v substrátu N. Inverzní oblast s vodivostí typu P. Přechod PN (strmý). Jednoduchá technologie. Malá reprodukovatelnost výroby. FEKT VUT v Brně


15

FEKT VUT v Brně

Výroba polovodičových přechodů - difúzní technologie MESA -


16

Výroba polovodičových přechodů - difúzní technologie MESA -

Typ vodivosti se mění pomocí difúze dotujících příměsí do substrátu z plynné fáze ( je možné i z kapalné nebo pevné) Teplota difúze: 1100O – 1200O C Hloubka difúze: 1 až 15 µm Hloubka difúze se řídí se časem: ≈1µm / hod. Reprodukovatelné dodržení teploty !!!!!!! (± 0,5 K ?) Pozvolný přechod PN, s velmi dobrou reprodukovatelností. Technologie MESA - malá kapacita přechodu - odleptání části přechodu - velké průrazně napětí (výkonové diody) Připomíná obrys Stolové hory - Mesa - španělský název FEKT VUT v Brně


17

FEKT VUT v Brně

3


18



Výroba polovodičových přechodů planární technologie -


Planární (rovinný) přechod PN se vyrábí selektivní difúzí přes oxidové masky za použití litografických technik. Technologický proces probíhá hromadně: - oxidace povrchu SiO2 (v atmosféře O2 nebo H2O) - nanesení fotorezistu (želatinová emulze citlivá na osvětlení) - osvětlení přes fotolitografickou masku – vytvrzení fotorezistu - odstranění nevytvrzeného rezistu rozpouštědlem - vyleptání otvorů v SiO2 (přes otvory ve fotorezistu) - difúze příměsí do nezakrytého křemíku - překrytí otvoru vrstvou Al (napaření, naprášení) - přibodování vývodní elektrody (obvykle Au drát) Přechod PN krytý (pasivovaný) oxidem ochrana + stabilita parametrů FEKT VUT v Brně


19

FEKT VUT v Brně



20

Výroba polovodičových přechodů - epitaxně-planární technologie -

Výhody planární technologie: - hromadná ( levná ) výroba - malý rozptyl parametrů) Problém: - objemový odpor substrátu – velký sériový odpor - silně dotovaný substrát – malé závěrné napětí, poruchy - pro každý typ součástky jiný substrát - vliv poruch a nečistot v substrátu Řešení: Na substrát s velkou vodivostí se nechá narůst vrstva se stejnou krystalografickou strukturou – EPITAXNÍ VRSTVA. Epitaxní vrstva může mít libovolnou koncentraci příměsí P nebo N. Přechod PN se vytváří v této vrstvě planární technologií. FEKT VUT v Brně


21

FEKT VUT v Brně

Výroba polovodičových přechodů - epitaxně-planární technologie -


22

Výroba polovodičových přechodů Schotkyho dioda -

Epitaxní vrstva roste velmi pomalu při teplotě blízké teplotě tání.

Změna typu vodivosti (inverze) v těsné blízkosti kovového kontaktu: - elektrony přecházejí jako majoritní nosiče do kovu - ihned rozptýlí a nevytvoří nadbytečné nosiče - z kovu do oblasti N nemohou přecházet díry - není akumulace minoritních nosičů

Částice mají dostatek času a energie pro migraci po povrchu krystalu a hledání energeticky nejvýhodnějších poloh: v monokrystalu !!!! Epitaxní vrstva: - kopíruje krystalografickou orientaci podložky - může mít požadovaný typ vodivost - může mít měně nečistot a poruch než podložka Podložky pro epitaxi - velká vodivost - malý objemový odpor: - při velké koncentraci příměsí se neuplatní řada poruch - výroba ve velkém objemu – stačí několik typů jsou levné !!!!!! FEKT VUT v Brně


23

FEKT VUT v Brně

4


24



5



6



7



8



9

q -saturační proud ovlivňuje nárazovou ionizaci. Šířka přechodu: w Ge 0,7 w Si (pro N D,A,Ge N D,A,Si ); vliv U D

Recommend Documents