Розрахунок кремнієвого діода

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     Міністерство освіти та науки України

Запорізький національний технічний  університет

 

 

Кафедра мікро- та наноелектроніки

 

 

Курсовий проект

з дисципліни

«ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ»

«Розрахунок кремнієвого діода»

 

 

 

Розробила:

ст. гр. РП-318        Ю.С.Коваленко

 

Керівник:

доктор фіз.-матем. наук, професор     В.М. Матюшин

 

Запоріжжя 2011 
Запорізький національний технічний університет

Кафедра   Мікро- та наноелектроніки

Дисципліна  Технологічні основи електроніки

Спеціальність Мікроелектроніка та напівпровідникові прилади

Курс 3 Група РП-318 Семестр 6

Завдання

на курсовий проект студентові

Коваленко Юлія Сергіївна

1. Тема проекту: «Розрахунок кремнієвого діода»

2. Термін здачі закінченого проекту: 

3. Вихідні данні до проекту: Варіант №20

Матеріал – кремній(Si); дифузант – індій(In); джерело дифузанта – In2O3 (застосовується для дифузії); спосіб дифузії: у евакуйованій ампулі; параметри і особливості дифузії: T_Si=1000¸1300 ⁰C , C₀=10¹⁷¸10¹⁹ см^-3; коефіцієнт дифузії: ; енергія активації: ; поверхнева концентрація: ; діаметр кристала : мм.

4. ЗМІСТ розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх необхідно розробити): джерела домішок для проведення дифузійного легування кремнію,тверді джерела дифузії, технологія дифузії домішок у кремнії; визначення коефіцієнту дифузії; визначення глибини залягання p-n-переходу; визначення градієнта концентрації домішки у p-n-переході; ВАХ для тонкого p-n-переходу; розрахунок топології і визначення структури діоду; розрахунок топології і визначення структури діоду; технологічний процес.

5. Перелік графічного матеріалу(з точним зазначенням обов’язкових креслень):

6. Дата видачі завдання: 31.01.2011 р.

 

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№ пор.	Назва етапів курсового проекту	Термін виконання етапів курсового  проекту	Примітка
1	Підбір літератури
2	Складання літературного огляду
3	Вивчення методики розрахунку
4	Розрахунок параметрів
5	Оформлення роботи

 

Студент _________________        Коваленко Юлія Сергіївна

Керівник_________________        Матюшин Володимир Михайлович

 

 2. Розрахунок технологічних параметрів дифузійного p-n-переходу

2.1 Завдання та початкові умови

Матеріал, з якого виготовлений підшарок – кремній (Si);

Дифузант – індій(In);

Джерело дифузії – In2O3 (застосовується для дифузії);

Метод дифузії: З рідкого джерела;

Спосіб дифузії: у евакуйованій ампулі;

Дифузія відбувається при температурі  кремнію T_Si=1000¸1300 ⁰C;

Дифузія відбувається при поверхневій концентрації C₀=10¹⁷¸10¹⁹ см^-3;

Розміри кристала d=1,9мм

Тепловий опір корпусу R_T=65 м²×К/Вт

Температура корпусу Т_корп =32⁰С

2.2 Визначення температури дифузії

Температура дифузії визначається з двох параметрів, по перше, вона повинна бути хоча б на 100⁰С менша за температуру плавлення речовини, в яку відбувається дифузія (для кремнію Т_пл=1415⁰С), для збереження кристалічної структури підкладки, по друге, вона повинна бути такою, щоб забезпечити коефіцієнт дифузії см²/с.

Для знаходження потрібної температури скористаємося формулою:

,    (2.1)

де  .

Знаходимо, що , а .

Отже, Т=1300⁰С.

2.3 Визначення поверхневої концентрації  дифузанта

 

Поверхнева концентрація дифузанта визначається з двох факторів:

• як концентрація атомів домішки в нескінченно тонкому поверхневому шарі;
• із ретроградних діаграм залежностей максимальних поверхневих концентрації домішки, що може бути розчинена у кремнії без його руйнування, від температури дифузії.

З ретроградних діаграм приймаємо C₀=1*10¹⁹ см^-3.

 

2.4 Визначення дифузійного профілю

 

Оскільки при дифузії фосфору з рідкого джерела на поверхні кремнієвих пластин буде утворюватися фосфоросилікатне скло, що буде неперервно підживлюватися фосфором з газу-носія, то джерело дифузанта будемо вважати таким, що не зазнає виснаження, і буде описуватись інтегралом похибок (функцією ).

Час дифузії t приймаємо рівним 2 год (7200 с).

Концентрацію домішки в базі приймаємо рівною C_Б=1*10¹⁶см^-3.

Виходячи з вищевказаного, функція  залежності концентрації домішки від  глибини залягання шару має вигляд:

   (2.2)

За даною залежністю у системі  MathCad 14 був побудований графік розподілу концентрації домішкових атомів у нескінченно тонких шарах напівпровідника від глибини залягання цих шарів, що зображений на рисунку 2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Графік розподілу концентрації домішкових атомів у напівпровіднику від глибини залягання шару

 

2.5 Визначення глибини залягання  ЕДП

 

Для визначення глибини залягання ЕДП скористаємося чисельним розв’язком рівняння:

     (2.3)

Це рівняння розв’язуємо методом  ітерації, для початкового значення ітераційного процесу x=1,2∙10^-5 м, отримуємо значення глибини залягання ЕДП x_ЕДП=9,6721мкм.

 

 

2.6 Розрахунок  градієнту концентрації домішки  в ЕДП

 

Визначається  як похідна від функції розподілу  у точці перетині кривої С(x) з прямою CB.

                           

                    (2.4)

 

2.7 Розрахунок ВАХ для тонкого ЕДП переходу проводимо з наступних припущень:

• носії заряду (дірки й електрони) рекомбінують тільки один з одним;
• в усіх точках кристала, які не лежать усередині переходу, об’ємний заряд дорівнює нулю;
• перехід працює в області малих сигналів, тобто концентрація неосновних носіїв заряду мала порівняно з концентрацією основних носіїв;
• генерацією і рекомбінацією усередині області об’ємного заряду нехтуємо, вважаючи  цю область достатньо вузькою, а час прольоту в ній – достатньо малим;
• розглядається одномірний випадок розповсюдження носіїв заряду тільки вздовж осі х;
• розглядається стаціонарна задача, тобто .

Концентрація власних НЗ у кремнії, як відомо, дорівнює 1,6∙10¹⁶см^-3.

Час життя ННЗ в базовій області приймаємо рівним 75 мкс.

Згідно з [11] рухливості електронів і дірок залежать від концентрації і температури, для 35⁰С та C₀=1*10¹⁹см^-3 і C_Б=1*10¹⁶см^-3 графічно визначаємо рухливості: μ_n=1500 см²/(В∙с), μ_р=600 см²/(В∙с).

Для подальшого розрахунку отримуємо наступні дані:

• коефіцієнти дифузії: D_n=39,867 см²/с, D_p=15,947 см²/с;
• довжини дифузійного пробігу: L_n=0.05468 см, L_p=0.03458 см;
• концентрації домішок у емітерній і базовій областях відповідно     N_d=1*10¹⁶см^-3 і N_a=1*10¹³см^-3;
• концентрації ОНЗ у емітерній і базовій областях відповідно n=9,99*10¹⁵ см^-3 і p=2,1763∙10¹³ см^-3.

Струм насичення переходу рівний:

                                  

    (2.5)

                                                               (2.6)

За розрахованими даними та рівнянням  Шоклі(2.6) розраховуємо залежність густини зворотного струму діода від зворотної напруги (рисунок 2.2).

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 2.2 - Залежність густини зворотного струму діода від прикладеної напруги

Визначена структура діода – планарна.

За наближеними оцінками площа  ЕДП складає: S=7,734∙10^-14см².

За отриманими даними будуємо пряму гілку ВАХ  ЕДП, що зображена на рисунку 2.3.

Рисунок 2.3 Пряма гілка ВАХ діода

У системі MathCad 14 за допомогою трасування визначаємо точку на лінійній ділянці:

U=1,0785 В;

I=0,24 A.

Звідки P=0,25884Вт.

Для діодів з потужністю від 0,1 Вт до 1 Вт скляний корпус використовувати  не можна через високий тепловий опір. В цьому випадку використовують металево скляний корпус.

На рисунку 2.5 зображена конструкція  металево скляного корпусу, яка включає  у себе два металевих тримача, скляну трубку та дві перехідні коварові втулки. Послідовність операцій створення  корпусу полягає в попередньому виготовленні скляного балона корпусу, що являє собою з’єднання на основі метало скляних спаїв трубки зі скла С-49-2 та двох втулок зі сплаву 29НК. Металеві втулки служать для центрування тримачів та їх кріплення при кінцевій збірці корпусу приладів. Тримачі кристалу виводу представляють собою відрізки проволоки різного діаметру, з’єднані між собою ударною конденсаторною стиковою сваркою. Кінцеву герметизацію корпусу проводять пайкою в конверторній печі в атмосфері водню. В якості припою використовують ПОС-61 у вигляді штампованих кілець.

Рисунок 2.4 – Структура діода виготовлена за планарною технологією

Розглянута конструкція метало скляного корпусу широко використовується у виробництві напівпровідникових приладів.

Переваги:

• більш висока потужність розсіювання (порівняно зі скляним корпусом);
• більш висока надійність спаю металу зі склом.

Недоліки:

- наявність на заключному етапі  збірки приладу процесу пайки  з використанням флюсу (використання  при пайці інертної атмосфери  значно підвищує якість готових  приладів).

 

Рисунок 2.5 Конструкція металоскляного корпусу діода

1 – скляна трубка;

2 – коварові втулки;

3 – вивід;

4 – припій.

 

 

3 Технологічний процес

 

3.1 Розрізання злитків на пластини відбувається алмазним диском з внутрішньою ріжучою кромкою. Процес проводити при наступних умовах:

- частоті обертання шпинделя 3500-4000 об/хв.;

- швидкість подачі злитку 60-80мм/хв.;

- охолоджуюча рідина – 3,5% водний  розчин кальцинованої соди або  рідина НИИАЛМАЗа;

- подача охолоджуючої рідини  відбувається з верху у низ  безпосередньо на ріжучу кромку зі швидкістю 3-4 л/хв;

- розрізання проводити на станку  Алмаз-6М.

Рисунок 3.1 Схема розрізання злитків на пластини алмазним диском з внутрішньою ріжучою кромкою

1 - шпиндель;

2 – диск з алмазною ріжучою кромкою;

3 – злиток;

4 – тримач злитка;

5 – відрізана пластина;

6 – збірник.

3.2 Шліфовка. Шліфування відбувається на твердих доводочних дисках-шліфувальниках абразивними мікро-порошками. Зернистість мікро-порошків для шліфування  пластин беруть таку: при попередньому шліфуванні – від М14 до М10, а при кінцевому – від М7 до М5. це дасть можливість отримати 9-12-й клас чистоти обробки.

Шпиндель обертається зі швидкістю  15000-18000 об/хв.;

Проводити на станку ШП-200;

Час шліфовки 4-6 с.

3.3 Поліровка пластин Далі пластини  піддають односторонній поліровці  з використанням вільного абразиву. В результаті отримуємо поверхню пластин з чистотою обробки, яка відповідає 13-14 класу.

1 етап – попередня поліровка:

- на скляний диск наносять  допоміжний порошок АСМ3 та  кілька крапель масла для приладів: