С другой стороны, как галлий, так и алюминий являются быстродиффундирующими элементами и не вносят структурных нарушений в кристаллическую решетку кремния, но в отличие от бора они не могут использоваться для создания рисунка по фотошаблону с применением двуокиси кремния в качестве маскирующего средства.
Распределение легирующих примесей в слоях, полученных диффузией, может быть описано следующими уравнениями. Если источник легирующей примеси является неограниченным, то распределение характеризуется функцией ошибок:
N(x,t) = N0erfc()-NB, (2.17)
а если источник диффузии является ограниченным, то оно описывается функцией Гаусса
N(x,t) = N0exp()-NB (2.18)
Здесь N(x, t) - концентрация примеси в некоторой точке х для времени диффузии t; No - поверхностная концентрация примеси; D - коэффициент диффузии; Nв - концентрация примеси в исходном материале.
Рисунок 2.4 - Коэффициенты диффузии для часто встречающихся примесей в кремнии.
Значения коэффициентов диффузии примесей, используемых в производстве высоковольтных силовых тиристоров, приведены на рис. 2.4. С их учетом рассчитываются распределения примесей при диффузионных процессах. Применяются также и компьютерные методы расчета. На рис. 2.5 показаны функция Гаусса и функция ошибок. [10]
Одним из наиболее критичных параметров при проектировании тиристора является поперечное сопротивление р-базы. Оно влияет как на ток управления, так и на стойкость тиристора к эффекту dv/dt.
Рисунок 2.5 - Дополнительная функция ошибок и функция Гаусса
Поперечное сопротивление р-базы усредненное удельное сопротивление р-базы ширина р-базы :
(2.19)
Усредненное удельное сопротивление р-базы лучше всего рассчитывать, используя численное интегрирование удельного сопротивления между переходами J3 и J2. Как альтернативу можно использовать кривые Ирвина [6], которые дают приближенное значение поперечного сопротивления.
Концентрация легирующей примеси в р-базе и ширина р-базы определяют эффективность инжекции n-эмиттера. Поскольку высокий коэффициент инжекции иметь предпочтительнее, для того, чтобы добиться минимального напряжения в тиристоре в открытом состоянии, любые поиски оптимального решения заключаются в обеспечении минимума концентрации легирующей примеси в р-базе.
Ограничение накладывается также на ширину р-базы, от значения которой зависит напряжение пробоя тиристора. В закрытом состоянии слой пространственного заряда распространяется на обе стороны перехода J2. Если при расширении слой пространственного заряда в слое Р2 достигает эмиттерного перехода J3, то происходит преждевременный пробой. [8]
На практике переход J3 имеет катодные эмиттерные шунты, ограничивающие значение коэффициента передачи апрп транзистора в схеме с общей базой. В этом случае толщина слоя пространственного заряда в р-базе, при котором происходит пробой, приблизительно равна самой ширине р-базы.
Рисунок 3.6 - Зависимости отношения ширины р-слоя объемного заряда к общей ширине области объемного заряда от общего напряжения, отнесенного к концентрации примеси в n-базе (а) и суммарной ширины области объемного заряда и емкости от V/NB (б). Кривые показаны для различной глубины хj гауссовско-го диффузионного перехода при 300 К для NB/N0 в промежутке от 3·108 до 3·104
Для диффузионного перехода ширина слоя пространственного заряда может быть рассчитана из численного решения одномерного уравнения Пуассона для диффузионного распределения примеси:
(2.20)
где V - потенциал; р(х) - концентрация заряда в слое пространственного заряда; εs, - диэлектрическая проницаемость кремния.
Рисунок 2.7 - Отношение толщины слоя объемного заряда на р-стороне для двойного диффузионного перехода к суммарной ширине слоя объемного заряда (а) и суммарная ширина области пространственного заряда как функция отношения напряжения к NB (б) для хв=100 мкм и различных комбинаций (xj1 xj2). Кривые показаны для N01 = 1020·см-3, NB = 6·1013 см-3, N02 = 2·1012·см-3, и N02 = 1012·см-3.
Примеры характеристик слоя пространственного заряда для р-n-перехода, полученного в результате диффузии одной примеси, даны в [1], а для диффузии двух примесей с концентрационными профилями, описываемыми функцией ошибок,- в [5]. Результаты этих публикаций воспроизведены на рис. 2.6 и 2.7. Для типичных силовых тиристоров, изготовленных по диффузионной технологии, слой пространственного заряда в р-базе может составлять 10-20% общей ширины слоя пространственного заряда, а использование двойной диффузии галлия и алюминия, как описано в [3], является одним из способов ограничения распространения пространственного заряда в р-базе ,(рис. 2.8).
Рисунок 2.8 - р-база, изготовленная методом двойной диффузии: хр - протяженность заряда в р-базе в прямом блокирующем режиме; I - фосфор, диффузионный эмиттер; II - высокая концентрация, мелкая диффузия; III -низкая концентрация, глубокая диффузия.
В результате такой двойной диффузии получается диффузионный профиль алюминия с низкой концентрацией и большой глубиной, что позволяет снизить электрическое поле перехода и, следовательно, повысить напряжение пробоя, тогда как более мелкий концентрационный профиль галлия препятствует распространению слоя пространственного заряда к переходу J3.
В настоящее время невозможно сформулировать точное уравнение распределения примеси в р-базе. С учетом факторов, рассмотренных выше, а именно: поперечного сопротивления р-базы, ограниченных возможностей выбора диффузанта и ширины смыкания р-базы, тем не менее, существует большое количество возможных вариантов.
Ширина р-базы должна быть как можно меньше, чтобы оптимизировать, например, время включения, скорость распространения включенного состояния и напряжение в открытом состоянии.
Выбор правильного соотношения между удельным сопротивлением и толщиной n-базы для тиристора основывается на требуемых напряжениях пробоя его прямого и обратного переходов. Главное ограничение максимальных размеров толщины базы задается исходя из напряжения прибора в открытом состоянии, которое пропорционально корню квадратному из толщины n-базы.
С целью обеспечения низких потерь в тиристоре толщина n-базы поддерживается минимально необходимой, для того чтобы получить вполне определенное напряжение пробоя.
Если воспользоваться уравнением для аппроксимации коэффициента переноса и считать коэффициент инжекции перехода J1 равным единице, то максимальное обратное напряжение тиристора:
(2.21)
Это выражение можно упростить, если принять, что WNl-xn«Lp, тогда
(2.22)
Диффузионная длина носителей заряда Lp=-√Dpτp, где τр время жизни неосновных носителей заряда при условиях низкого уровня инжекции. Однако чтобы получить решение, необходимо знать точную зависимость между удельным сопротивлением n-базы и напряжением лавинного пробоя Vв диффузионного перехода. [11]
Зависимости напряжения пробоя от удельного сопротивления n-базы показаны на рис. 2.9. К сожалению, хотя значение удельного сопротивления с некоторой точностью может быть определено по графику на рис. 2.9, на практике имеем дело с теми допусками, с которыми контролируется удельное сопротивление при производстве кремния. Это накладывает ограничения на проектирование тиристора, которое должно ориентироваться на наихудшую ситуацию, когда удельное сопротивление находится в нижнем конце допуска.
Рисунок 2.9 - Зависимости напряжения пробоя глубоких диффузионных р-n-переходов в радиационно-легированном кремнии от удельного сопротивления n-базы.
Следует подчеркнуть, что данная методика проектирования основывается на определении значения напряжения обратного пробоя без учета влияния поверхности перехода и условия возникновения прямого пробоя. На практике обычно учитывается, что будет достигнута лишь часть значения напряжения объемного пробоя, которая определяется по методике, используемой отдельно для каждого конкретного контура поверхности.
Для тиристора, имеющего шунты в катодном эмиттере, можно с достаточной точностью предположить, что прямое и обратное напряжения пробоя у него приблизительно равны.
При проектировании тиристора необходимо учитывать ток утечки, так как при высокой температуре необходимо ограничить прямой и обратный токи с целью уменьшить выделение тепла и гарантировать стабильность работы прибора. Ток утечки трудно предсказать с необходимой точностью, поскольку этот параметр в значительной степени определяется локальными неоднородностями в кремнии.
В открытом состоянии тиристора эмиттерные области характеризуются коэффициентами инжекции эмиттеров двух составных транзисторов и плотностью избыточных носителей в базовых областях. Оба эмиттера обычно являются диффузионными слоями: для катода легирующей примесью служит фосфор, а для анода - галлий, алюминий или бор; р-эмиттер используется также для блокирования обратного напряжения тиристора; р-база и р-эмиттер формируются обычно в процессе одной диффузионной операции.
При высоком уровне инжекции коэффициенты в обоих случаях должны быть достаточно большими, для того чтобы обеспечить максимальный избыточный заряд и, следовательно, минимальное сопротивление базовых областей тиристора в открытом состоянии. Это реализуется при больших диффузионных длинах и малой величине отношений NNl/NPl и NP2/NN2. С хорошим приближением концентрации основных носителей и равновесных условиях принимаются равными средним уровням легирующей примеси в соответствующих областях тиристора. Для высокой эффективности эмиттера концентрация легирующей примеси в эмиттерном слое должна быть высокой, а в базе - низкой. [11]
Если, например, предполагается, что коэффициент инжекции должен быть равен 0,99, то задаются следующими условиями расчета:
(NNl,/NPl) < 0,01 (LPl,/WNl) и (NP2,/NN2) < 0,01 (LPl,/WP2)
Однако для р-эмиттера диффузия часто проводится при низких концентрациях легирующей примеси. В этом случае получается мелкий концентрационный профиль, требуемый для р-базы, и обеспечивается высокое напряжение пробоя. Естественно, что при такой диффузии не удовлетворяются вышеупомянутые условия. Проблема может быть решена за счет создания вблизи поверхности слоя Р0 с высокой концентрацией примеси.
Несмотря на то что при высоком уровне инжекции требуется большой коэффициент инжекции для достижения минимального напряжения тиристора в открытом состоянии, при низком уровне инжекции коэффициент передачи тока, а следовательно, и коэффициент инжекции должны быть небольшими для того, чтобы обеспечить низкий ток утечки и высокое напряжение пробоя. Это условие выполняется при использовании эмиттерных шунтов.
В данной курсовой работе:
- был обоснован выбор кремния;
- расчитанно время жизни не основных носителей зарядов;
- спроектирована структура тиристора на основе динистора кремния.
1. Ніконова З.А., Небеснюк О.Ю. Твердотіла електроніка. Конспект лекцій для студентів напрямку «Електроніка» ЗДІА/ Запоріжжя: Видавництво ЗДІА, 2002. – 99с.
2. Твердотіла електроніка. Навчальний посібник до курсового проекту для студентів ЗДІА спеціальності «Фізична та біомедична електроніка» денної та заочної форм навчання /Укл: З.А. Ніконова, О.Ю. Небеснюк,, М.О. Літвіненко, Г.А. Слюсаревська. Запоріжжя, 2005. – 40с.
3. Батушев В. А. Электронные приборы. – М. , “Высшая школа” 1980. – 383 с.
4. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.
5. Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д. Полупроводниковые приборы. – М.: Высшая школа, 1981. – 431 с.
6. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987г. 379 c.
7. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. – М.: Радио и связь, 1991г. – 288 с.
8. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. – М.: Высшая школа, 1986.– 464 с.
9. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. – М.: Высшая школа, 1987. – 416 с.
10. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1983. – 384 с.
11. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Сов. радио, 1980. – 424 с.
12. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под ред. Н. Н. Горюнова – М.: Энергоатомиздат, 1985г. – 904 с.
13. Ю П. Основы физики полупроводников /П. Ю, М. Кардона. Пер. с англ. И.И. Решиной. Под ред. Б.П. Захарчени. 3-е изд. М.: Физматлит, 2002. 560 с.
14. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. М., “Советское радио”, 1970. – 392 с.
15. Тейлор П. Расчет и проектирвание тиристоров: Пер с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 208с.
16. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник. – 4-е изд., К.: Вища школа,1983 г . –384 с.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
