U BR < 4E G /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.

Transkript

1 Napěťový průraz polovodičových přechodů Zvyšování napětí na přechodu -přechod se rozšiřuje, ale pouze s U (!!) - intenzita elektrického pole roste -překročení kritické hodnoty U (BR) -vzrůstu závěrného proudu, průraz Mechanismus průrazu ovlivňuje šířka a typ přechodu a materiál polovodiče Základní rozdělení -průraz tunelový (Zenerův) -průraz lavinový -průraz tepelný -průraz povrchový FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 1 Tunelový průraz Velmi úzký přechod (= potenciálová bariéra) - pravděpodobnost tunelování. Dostatek elektronů na jedné straně bariéry a dostatek volných stavů na stejné energetické úrovni na druhé straně bariéry. Tunelování může probíhat v propustném i v závěrném směru. Závislost na materiálu vliv E G Ge: U D 0,25 V ; E krit =2, Vm -1 ; U BR < 2,8 V Si: U D 0,6 V ; E krit =1,2 1, Vm -1 ; U BR < 4,5 V U BR < 4E G /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. FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 2 P Tunelový průraz v závěrném směru neobsazené stavy minoritní elektrony majoritní elektrony hustota stavu P N A, N D >10 17 cm -3 d Tunelový průraz v propustném směru Poloha E F u velmi bohatě dotovaných polovodičů: - ve valenčním pásu u P typu - ve vodivostním pásu u N typu majoritní N díry minoritní díry energetické stavy obsazené elektrony E C E F E i E V qu R tunelování N w E C E F E i E V 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 (a) u = 0 R (b) u > U R Z E G se s rostoucí teplotou zmenšuje (Si: 2, ev/k): -průrazné napětí klesá záporný teplotní součinitel FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 3 FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 4 Tunelový průraz v propustném směru U=0 Tunelový průraz v propustném směru Překrytí volných a obsazených hladin: U>0 U>0 maximální zmenšuje se V termodynamické rovnováze U<0 U>0 U>0 U>0 minimální žádné Tunelování v závěrném směru Tunelování v propustném směru Difúze přes potenciálovou bariéru FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 5 FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 6 1

2 Lavinový průraz přechodu PN Přechod je mnohem širší než střední volná dráha elektronu: Nosiče získají v elektrickém poli energii pro nárazovou ionizaci atomů krystalové mříže - generaci párů elektron-díra. U širokých přechodů může dojít k několika srážkám za sebou: Množství nosičů vzniklých ionizací lavinově roste. s 1 M r U 1 U R ( BR ) (n je empirický exponent) n Multiplikační činitel s nosiče vstupující r nosičů vystupující U R U (BR) napětí na přechodu průrazné napětí Lavinový průraz přechodu PN Průrazné napětí: - s rostoucí koncentrací příměsí klesá - závisí na gradientu koncentrace (rozložení elektrického pole) - u jedné diody až do 3000 V, pro větší U BR sériové řazení diod Vliv teploty: - kmity krystalové mříže brání pohybu nosičů - získání energie k ionizaci = větší intenzita elektrického pole -průrazné napětí s teplotou roste (kladný teplotní součinitel) FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 7 FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 8 Lavinový průraz přechodu PN Lavinový průraz přechodu PN Lavinový průraz má většina polovodičových přechodů. Čistě lavinový průraz jen pro U BR > 6E G /q (Si: U R > 6,7 V ; Ge U BR > 4,2 V pro Ge) Pro 4E G /q < U BR < 6E G /q : - lavinový + tunelový průraz současně - teplotní závislosti se navzájem kompenzují. - využití pro referenční stabilizační diody : U BR 5,6 V FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 9 FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 10 Ztrátový výkon způsobený závěrným proudem: P j = U R I R T j T Pa R th Tepelný průraz přechodu PN a Odvod tepla chlazením T j, T a teplota přechodu PN, teplota okolí R th...tepelný odpor mezi přechodem a okolím. Kladná zpětné vazba : Vzniklé teplo je větší než odváděné!!!!! Teplota přechodu se zvyšuje větší ztrátový výkon nadměrný ohřev přechodu závěrný proud roste tepelný průraz. FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 11 Tepelný průraz přechodu PN Závěrný proud ( P j ) roste s teplotou exponenciálně. Odváděný výkon (P a ) závisí na teplotě lineárně. Podmínka stabilního stavu Nad T kr - generované teplo je větší než odváděné T op až T kr - odváděné teplo je větší než teplo generované T j = T op - stabilní stav Pj Pa < T T FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 12 j j 2

3 Tepelný průraz přechodu PN Ohřev struktury (T i intrinsická teplota): T =T i..začnou se uplatňovat tepelně generované nosiče T>Ti..generace nosičů nezávisí na velikosti elektrického pole Lokální růst teploty mesoplasma lokální zvýšení proudové hustoty druhý průraz (second breakdown) Poškození struktury druhým průrazem: - teplota mesoplasmy ( T m ) překročí teplotu tání křemíku - T m překročí eutektickou teplotu slitiny křemíku s kontaktem - tepelný šok, porušení krystalické mřížky, praskliny Řešení - rovnoměrné rozdělení proudové hustoty : - dobrá geometrie přechodu + minimum poruch - dobré lavinové vlastnosti přechodu (lavinová dioda) - významné u tranzistorů a výkonových diod Povrchový průraz přechodu PN Povrch polovodiče: - nečistoty a poruchy - nerovnoměrné rozložení elektrického pole - lokální průrazy - rozvinutí lokálních průrazů do celého přechodu 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. FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 13 FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 14 - slitinová technologie - Pro vytvoření oblasti tyu P v materiál typu N se používá indium (In, trojmocný kov, taje při 155 o C ; Al tvoří rekombinační centra) Postup: - nanesení india na část substrátu N - žíhání v inertní atmosféře (Ge C) - roztavení a vytvoření slitiny - vychladnutí a rekrystalizace - slitinová technologie - Část india zůstává v substrátu N. Inverzní oblast s vodivostí typu P. Jednoduchá technologie. Malá reprodukovatelnost výroby. Přechod PN (strmý). FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 15 FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 16 - 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: 1100 O 1200 O 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. - difúzní technologie MESA - Technologie MESA - malá kapacita přechodu - odleptání části přechodu - velké průrazně napětí (výkonové diody) Připomíná obrys Stolové hory - Mesa - španělský název FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 17 FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 18 3

4 - planární technologie - Planární (rovinný) přechod PN se vyrábí selektivní difúzí přes oxidové masky za použití litografických technik. Technologický proces probíhá hromadně: - oxidace povrchu SiO 2 (v atmosféře O 2 nebo H 2 O) - nanesení fotorezistu (želatinová emulze citlivá na osvětlení) - osvětlení přes fotolitografickou masku vytvrzení fotorezistu - odstranění nevytvrzeného rezistu rozpouštědlem - vyleptání otvorů v SiO 2 (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 ESO / P4 / J.Boušek 19 - planární technologie - FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 20 - planární technologie - Výhody planární technologie: - hromadná ( levná ) výroba - malý rozptyl parametrů) - epitaxně-planární technologie - 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 ESO / P4 / J.Boušek 21 FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 22 - epitaxně-planární technologie - Epitaxní vrstva roste velmi pomalu při teplotě blízké teplotě tání. 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 - Schotkyho dioda - 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 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 ESO / P4 / J.Boušek 23 FEKT VUT v Brně ESO / P4 / J.Boušek 24 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 9