Электронно-дырочный переход. Электронно-дырочный переход, площадью S = 0,1 см2, сформирован в кремнии таким образом, что удельные сопротивления дырочной и электронной областей составляют

Варианты 1.1 – 1.12

Электронно-дырочный переход, площадью S = 0,1 см², сформирован в кремнии таким образом, что удельные сопротивления дырочной и электронной областей составляют величины r_p и r_n соответственно.

Объяснить:

– работу p-n-перехода, используемого в выпрямителе;

– причины расхождения между теоретической и реальной вольт-амперными характеристиками p-n-перехода;

– применения пассивной и реактивной компонент полного сопротивления p-n-перехода.

Определить:

– величину контактной разности потенциалов при комнатной температуре;

– рассчитать и построить энергетическую диаграмму p–n-перехода в равновесном состоянии, а также при заданном значении величины прямого напряжения u, В;

– рассчитать и построить теоретическую вольт-амперную характеристику (учесть движение всех носителей заряда через p-n-переход, среднее время жизни которых считать равным τ _p,_n = 1 мкс);

– вычислить величину дифференциального сопротивления p-n-перехода при u, B; T, K.

Численные значения исходных данных, необходимых для выполнения задания по вариантам 1.1 – 1.9, представлены в табл. 1.

Таблица 1

№ варианта	r_p, Ом×см	r_n, Ом×см	u, B	T, K
1.1	0,01	44,0	0,1
1.2	0,012	44,1	0,2
1.3	0,013	44,5	0,3
1.4	0,015	44,8	0,4
1.5	0,18	45,0	0,5
1.6	0,2	45,1	0,6
1.7	0,22	45,3	0,7

Окончание табл. 1

№ варианта	r_p, Ом×см	r_n, Ом×см	u, B	T, K
1.8	0,25	45,8	0,8
1.9	0,27	46,0	0,9

Задание к вопросу о методе формирования

полупроводниковой структуры

1.1. Изготовление p-n-перехода микроплавлением с помощью электронного луча.

1.2. Механизмы диффузии в полупроводниках.

1.3. Распределение примеси при диффузии из бесконечного источника.

1.4. Распределение примеси при диффузии из ограниченного источника.

1.5. Способы проведения диффузии.

1.6. Радиационно-стимулированная диффузия.

1.7. Силановый метод эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев.

1.8. Хлоридный метод эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев.

1.9. Молекулярно-лучевая эпитаксия.

1.10. Гетероэпитаксия.

1.11. Локальная эпитаксия.

1.12. Методы легирования эпитаксиальных слоев.

Варианты 2.1 – 2.12

Р-n-переход используется в качестве переменного резистора в аттенюаторе, схема которого показана на рис. 3.

Вычислить величину дифференциального сопротивления диода как функцию I_i.

Смещение на диоде задается источником постоянного тока I, а связь между сигналами осуществляется через конденсатор емкостью С, реактивное сопротивление

Рис.3

которого пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением резистора R_i. Вычислите и постройте зависимость ослабления сигнала по напряжению в децибелах [20 lg(U_вых/U_вх)] от величины тока I_i. Ток насыщения можно взять равным I ₀ = 1мкА.

Вычислите емкость и толщину обедненного слоя при обратном напряжении смещения U_обр_i, если изменение плотности заряда по обе стороны резкого p–n-перехода представляет собой ступенчатую функцию, т. е. N_Ai > N_Di. Принять e_s = 16, S = 10^-6 м².

Построить энергетическую диаграмму p–n-перехода для заданного U_обр_i.

Численные значения исходных данных, необходимых для выполнения задания по вариантам 2.1 – 2.12, представлены в табл. 2.

Таблица 2

№ варианта	R_i, кОм	I_i, мА	N_Ai, см^-3	N_Di, см^-3	U_обр_i, B
2.1	1,0	0,01–0,1	1×10¹⁷	2×10¹⁵	0,2
2.2	1,3	0,01–0,1	5×10¹⁷	4×10¹⁵	0,4

Окончание табл. 2

№ варианта	R_i, кОм	I_i, мА	N_Ai, см^-3	N_Di, см^-3	U_обр_i, B
2.3	1,5	0,01–0,1	1×10¹⁸	6×10¹⁵	0,6
2.4	1,7	0,01–0,1	5×10¹⁸	8×10¹⁶	0,8
2.5	1,9	0,10–1,0	1×10¹⁹	1×10¹⁷
2.6	2,1	0,10–1,0	5×10¹⁹	5×10¹⁷	1,2
2.7	2,3	0,10–1,0	1×10²⁰	2×10¹⁵	1,4
2.8	2,7	0,10–1,0	2,5×10¹⁷	1×10¹⁵	1,6
2.9	2,9	1,0–10,0	2,5×10¹⁸	8×10¹⁴	1,8
2.10	3,1	1,0–10,0	2,5×10¹⁹	6×10¹⁴
2.11	3,5	1,0–10,0	7,5×10¹⁷	4×10¹⁴	2,2
2.12	3,7	1,0–10,0	7,5×10¹⁸	2×10¹⁴	2,4

Задание к вопросу о методе формирования

полупроводниковой структуры

2.1. Получение на поверхности кремния слоев SiO₂ методом термического окисления.

2.2. Анодное электролитическое оксидирование поверхности кремния.

2.3. Механизм ионного легирования при ориентированном внедрении ионов.

2.4. Механизм ионного легирования при разориентированном внедрении ионов.

2.5. Распределение концентрации примесей в ионно-легированных слоях.

2.6. Преимущества и недостатки ионного легирования полупроводников.

2.7. Термовакуумный метод нанесения пленок.

2.8. Получение тонких пленок при распылении ионной бомбардировкой.

2.9. Получение тонких пленок при осаждении металла из электролита и растворов.

2.10. Разделение пластин и подложек с готовыми структурами при сборке интегральных микросхем.

2.11. Основные методы сборки интегральных микросхем.

2.12. Монтаж кристаллов при сборке интегральных микросхем.

Варианты 3.1 – 3.5

Определить во сколько раз увеличивается обратный ток насыщения p-n-перехода, если температура увеличивается:

– от Т₁′ до Т₂′ для германиевого диода;

– от Т₁″ до Т₂″ для кремниевого диода.

Опишите физические процессы, происходящие в p-n-переходах:

– при лавинном пробое;

– при туннельном пробое.

Р-n-переход изготовлен из легированного германия с концентрацией акцепторной и донорной примесей соответственно N_Ai и N_Di. Определите толщину обедненного слоя, если при обратном смещении величина максимального электрического поля в переходе равна Е_mi.

Рассчитать и построить энергетическую диаграмму p–n-перехода в равновесном состоянии, а также при напряжении, соответствующем величине Е_mi.

Численные значения исходных данных, необходимых для выполнения задания по вариантам 3.1 – 3.5, представлены в табл. 3.

Таблица 3

№ варианта	Т₁′ – Т₂′, °С	Т₁″ – Т₂″, °С	N_Ai, м^-3	N_Di, м^-3	Е_mi, В/м
3.1	0–20	0–35	9×10²³	2×10²³	1×10⁶

Окончание табл. 3

№ варианта	Т₁′ – Т₂′, °С	Т₁″ – Т₂″, °С	N_Ai, м^-3	N_Di, м^-3	Е_mi, В/м
3.1	0–20	0–35	9×10²³	2×10²³	1×10⁶
3.2	20–40	35–70	1×10²³	5×10²²	2×10⁶
3.3	40–60	70–105	2×10²³	2×10²²	4×10⁶
3.4	60–80	105–140	4×10²³	8×10²²	8×10⁶
3.5	80–100	140–175	5×10²³	1×10²³	1×10⁶

Задание к вопросу о методе формирования

полупроводниковой структуры

3.1. Методы герметизации интегральных микросхем в корпусах различного типа.

3.2. Бескорпусная герметизация интегральных микросхем.

3.3. Оптическая литография.

3.4. Электронно-лучевая литография.

3.5. Рентгеновская литография.

Варианты 4.1 – 4.5

Р-n–переход формируется путем диффузии бора из источника ограниченной мощности в кремний n-типа с удельным сопротивлением r_i, Ом×м. Концентрация бора на поверхности равна N_А0, м^-3. Известно, что на глубине x_i, мкм от поверхности концентрация бора уменьшается в е раз. Площадь поперечного сечения p–n-перехода – S_i, мм², обратное смещение – U_обр_i, B.

Определить:

– концентрацию основных n_n и неосновных p_n носителей заряда в подложке;

– градиент концентрации примесей в области локализации р–n-перехода a (x ₀) (напоминаем, что образование плавного р–n-перехода происходит на расстоянии x = x ₀ от поверхности подложки, при этом N_A (x₀) = N_D);

– ширину p-n-перехода W и барьерную емкость p–n-перехода C_b при обратном смещении U_обр_i (при этом величиной контактной разности потенциалов φ ₀по сравнению с величиной U_обр_i можно пренебречь);

– максимальную напряженность электрического поля в p–n-переходе E_m;

– ток диода I при прямом напряжении U_пр_i, B (в расчетах можно считать τ _p,_n = 1 мкс);

– напряжение пробоя U_пр, предполагая, что его механизм носит лавинный характер.

Рассчитать и построить энергетическую диаграмму p-n–перехода при U_обр_i. (При построении энергетических зон р-области необходимо дважды рассчитать величину объемного потенциала φ_обр: 1) непосредственно вблизи обедненной области, полагая N_A» N_D; 2) вдали от обедненной области, полагая N_A» N_A₀. Таким образом, на чертеже энергетической диаграммы рассматриваемого p–n-перехода уровни E_c, E_v, и E_i будут иметь наклон относительно уровня ферми E_fp.)

Численные значения исходных данных, необходимых для выполнения задания по вариантам 4.1 – 4.5, представлены в табл. 4.

Таблица 4

№ варианта	r_i, Ом×см	N_A₀, м^-3	x_i, мкм	S_i, мм²	U_обр_i, В	U_пр_i, В	Е_i, В/м
4.1		5×10²³	1,5	1,0		0,25	5×10⁷
4.2		1×10²³	1,1	0,8		0,30	1×10⁷
4.3		5×10²²	1,0	1,2		0,45	2×10⁷

Окончание табл. 4

№ варианта	r_i, Ом×см	N_A₀, м^-3	x_i, мкм	S_i, мм²	U_обр_i, В	U_пр_i, В	Е_i, В/м
4.1		5×10²³	1,5	1,0		0,25	5×10⁷
4.2		1×10²³	1,1	0,8		0,30	1×10⁷
4.3		5×10²²	1,0	1,2		0,45	2×10⁷
4.4		1×10²²	1,7	0,6		0,15	8×10⁶
4.5		5×10²¹	0,8	1,4		0,90	7×10⁷

Задание к вопросу о методе формирования

полупроводниковой структуры

4.1. Методы контроля и испытаний интегральных микросхем.

4.2. Электронно-лучевая обработка (элионика) в технологии интегральных микросхем.

4.3. Лазерная обработка в технологии интегральных микросхем.

4.4. Прогнозирование надежности полупроводниковых приборов и их диагностика.

4.5. Виды и механизмы отказов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.