Міністерствоосвіти та науки України
Запорізькийнаціональний університет
Дозахисту допущена
Зав.кафедрою ТЕМ
кандидатф. м. наук, доцент
ДИПЛОМНАРОБОТА
ДОСЛІДЖЕННЯОСОБЛИВОСТЕЙ ЗАЛЕЖНОСТІ ЗАРЯДУ ПЕРЕМИКАННЯ ВІД ПРЯМОГО СТРУМУ ДЛЯ ЕПІТАКСІАЛЬНИХP-I-N СТРУКТУР РІЗНИХ ТИПІВ ТА РОЗМІРІВ
Виконала,
Науковий керівник,
старший викладач
Нормоконтролер,
асистент
2009
Реферат
Дипломна робота містить: 54 стор., 27 рис.,9 табл., 12 джерел.
Досліджувались особливості залежностізаряду перемикання від прямого струму для епітаксіальних та дифузійних p-i-nструктур різних типів та розмірів.
Метою роботи є виявлення особливості залежності/>/> та порівняти їх з аналогічною залежністю длядифузійних структур.
Завдання: вивчити фізику перехідних процесівв н/п діодах; освоїти установку для дослідження Qп; вивчити методику виміру Qп;виконати вимірювання та одержати графіки залежностей />,/>,/>, /> та /> ; провести аналіз отриманих результатів.
ДІОД, ЧАС ЖИТТЯ, ЗАРЯД ПЕРЕМИКАННЯ,ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ, ПРЯМІЙ СТРУМ, ЗВОРОТНИЙ СТРУМ, НЕРІВНОВАЖНІ НОСІЇ ЗАРЯДУ, P‑NПЕРЕХІД, РЕЖИМ ПЕРЕМИКАННЯ, РЕКОМБІНАЦІЯ, ІМПУЛЬС, АМПЛІТУДА
Зміст
Реферат
Перелік умовних позначок, символів, одиниць, скорочень і термінів
Вступ
1 Напівпровідниковий діод
1.1 Загальні відомості
1.2 Вах напівпровідникового діода
1.3 P-i-n структури
2 Робота напівпровідникового діода в режимі перемикання
2.1 Фізичний механізм перемикання
2.2 Заряд перемикання
3 Особливості перемикання для діодів різних конструкцій
3.1 Сплавні діоди
3.2 Точкові діоди
3.3 Дифузійні діоди
3.4 Епітаксіальні діоди
4 Експерименти по визначенню заряду перемикання досліджуваних діодів
4.1 Експериментальна установка
4.2 Методика експерименту
5 Отримані результати та їх аналіз
6 Охорона праці
Висновки
Перелік посилань
Перелік умовних позначень, символів, одиниць,скорочень і термінів
Н.Н.З. – нерівноважні носії заряду
iзв –зворотний струм
iпр –прямий струм
Qп – заряд перемикання
/> — накопиченний заряд
d- діаметр структури
t — час життя н.н.з.
Вступ
Прогрес найважливіших областей нової технікив значній мірі зобов’язаний напівпровідниковій електроніці. Успіхи останньоїбазуються на досягненнях техніки та технології одержання напівпровідниковихкристалів високого ступеня чистоти і структурної досконалості, а також напідвищенні ефективності лабораторного та промислового контролю їх якості.
При контролюванні напівпровідниковихвиробів розглядаються їх електрофізичні параметри, до яких відносятьсяконцентрація основних та неосновних носіїв заряду, рухливість і коефіцієнтдифузії основних та неосновних носіїв заряду, час життя нерівноважних носіївзаряду та концентрація донорних та акцепторних домішок.
Одним з найважливіших параметрівнапівпровідникових матеріалів є час життя нерівноважних носіїв заряду.
Методи виміру часу життя нерівноважнихносіїв заряду є основними методами контролю якості напівпровідниковихматеріалів і структур, що містять p-n перехід, на основі яких виготовляютьрізні види напівпровідникових приладів і мікросхем, а також складають основубагатьох експериментальних методів дослідження в області фізикинапівпровідників.
1. Напівпровідниковий діод
1.1 Загальні відомості
Напівпровідниковим діодом називаютьнелінійний електронний прилад з двома виводами. Діод частіше всього має структуру,на основі p-n переходу (рис1.1, а), іноді на основі випрямляючого контактуметал-напівпровідник (рис1.1, б). Окрім випрямляючого контакту унапівпровідниковому діоді з p-n переходом або з гетеропереходом повинно бути щедва невипрямляючих контакти, завдяки яким область напівпровідника з'єднується звиводами. Якщо в діоді застосовано випрямляючий контакт метал — напівпровідник,тоді невипрямляючий контакт всього один.
/>
Рисунок 1.1 — Структури напівпровідниковихдіодів: а) -з p-n переходом; б) -з випрямляючим контактом метал-напівпровідник;В-випрямляючий контакт; Н- невипрямляючий контакт
В багатьох випадках напівпровідникові діодироблять несиметричними, тобто концентрація домішок в одній з областей значнобільша, ніж в іншій.
Отже, кількість неосновних носіїв, щоінжектуються з сильно легованої області до слабо легованої(бази), значнобільша, ніж в протилежному напрямку.
По типу матеріалу діоди поділяються на двіосновні групи: кремнієві та германієві. Кремнієві діоди мають ряд суттєвихпереваг порівняно з германієвим, оскільки фізичні властивості кремніюдозволяють одержувати p-n перехід з великою допустимою зворотною напругою; длякремнієвих діодів це напруження складає 1000…1500В, а для германієвих -100…400В.
Існують також діоди на основі контактуметал — напівпровідник (діод Шотки), на основі p-n переходу та p-i-n діоди. Мирозглядатимемо тільки два останні класи.
Основна область застосування діодів-схемивипрямляючих пристроїв. Окрім того, діоди широко використовуються в різнихсхемах автоматики, електроніки, радіотехніки і т.д.
1.2 ВАХ напівпровідникового діода
Залежність постійного струму черезнапівпровідниковий діод від напруги, або вольт – амперна характеристиказвичайно має вид, що показаний на рис.1.2
/>
Рисунок 1.2 — Вольт – ампернахарактеристика напівпровідникового діода
Вид вольт – амперної характеристикивизначається багатьма факторами, відносний вплив яких розрізняється в залежностівід конструкції діода, властивостей напівпровідникового матеріалу, стануповерхні напівпровідника, температури зовнішнього середовища і т.д.
При нульовій зовнішній напрузі на діоді зp- n переходом в області переходу існує потенційний бар’єр, завдяки якому струмдрейфу та дифузії урівноважують один одного. Якщо до виводів діода прикластизовнішню напругу, то рівновага буде порушена. Дисбаланс, що виникає між струмомдифузії та струмом дрейфу, викличе рух носіїв заряду через перехід. Якщоприкладена напруга буде знижувати різність потенціалів в області переходу, тодіструм дрейфу зменшиться і буде переважати струм дифузії дірок і електронівчерез перехід. В цьому випадку кажуть, що діод має пряме зміщення. Якщо жприкладена напруга підвищує різницю потенціалів на переході, то буде лишеневеликий струм насичення, зобов’язаний своєю появою народженню електронно — дірочнихпар біля переходу внаслідок термогенерації. Діод при цьому знаходиться у станізворотного зміщення.
ВАХ p-n діода описується виразом:
/>,(1.1)
— при U/>100мВ:
/>(1.2)
— при U/>-100мВ: />(1.3)
1.3 P-i-n структури
У діоді з p-i-n структурою при прямомузміщенні відбувається інжекція дірок із р+-шару та електронів із n+-шару ві-область /подвійна інжекція/. Інжектовані дірки, дифундуючи крізь базу,частково рекомбінують з електронами, а їх залишок переходить в n+-область, дерекомбінація завершується швидше, внаслідок великої концентрації електронів.Аналогічно відбувається рух інжектованих електронів з n+-області через базу вр+-область.
Досить широке використання знайшлиперемикаючі p-i-n діоди, за допомогою яких вдається керувати порівняно високимирівнями СВЧ потужності. Схема найпростішої p-i-n структури зображена на рис.1.3.
/>
Рисунок 1.3 — Схема структури p-i-n діода
Напівпровідник дійсно і-типа отриматипрактично неможливо; як би ретельно не очищався Si, в ньому завжди залишитьсяпевна, хай і невелика кількість домішки.
Кремній, з якого виготовляють p-i-n діоди,майже завжди р-типу, концентрація акцепторів в ньому дуже мала — />.Концентрація донорів в n- областіі акцепторів в р- області перевищують />.Структура, що зображена на рис.1.3,використовується в потужних p-i-n діодах з товщиною і- області 10…400 мкм та зплощею від долей до одиниць квадратного міліметра.
При аналізі принципу дії перемикаючихдіодів викликають інтерес в першу чергу два крайніх випадки. Перший з них –режим прямого зміщення, коли через діод проходить прямий струм та опірнапівпровідникової структури діода малий. Другий випадок – режим зворотного(або нульового) зміщення, характеризується великим опором структури діода.Перехід з одного режиму до іншого виконується стрибком. Такі перемикаючі режимироботи характерні майже для всіх видів пристроїв, де використовуютьсяперемикаючі діоди.
В режимі прямого зміщення значнозбільшується ємність структури, що означає зменшення її опору на СВЧ. Тому припрямому зміщенні цю ємність можна не враховувати і еквівалентна схема діодаприймає вигляд, показаний на рис.1.4, а
/>
Рисунок 1.4 — Еквівалентні схемиперемикаючого діода
Опір /> в цій схемі — прямий опір втрат перемикаючого діоду– є одним з параметрів, що характеризують якість перемикання діода. Значення /> залежить від струму прямогозміщення.
Еквівалентна схема для зворотного танульового зміщення зображена на рис.1.4, б. ЇЇ також можна представити і увигляді паралельної схеми рис.1.4, в. Обидві ці схеми повністю рівноцінні – приоднаковій напрузі та частоті струм на вхідних затискачах має однакові амплітудуі фазу. Опір /> - зворотнійопір втрат перемикаючого діода для послідовної еквівалентної схеми, а /> — зворотній опір втрат дляпаралельної схеми. Ці опори – параметри перемикаючого діода, що характеризуютьйого якість.
ВАХ тонкої p-i-n структури описуєтьсявиразом:
/>(1.4)
Р-i-n структури можуть бути виготовлені заепітаксіальною технологією, за дифузійною технологією, або за їх комбінацією.
2. Робота напівпровідникового діода врежимі перемикання
2.1 Фізичний механізм перемикання
Під впливом позитивної вхідної напругичерез діод протікає прямий струм, величина якого визначається амплітудоюімпульсу, опором навантаження і прямою провідністю діода (рис. 2.1). У момент,коли вхідна напруга змінює свою полярність, можна було б очікувати, що струмчерез діод також миттєво змінить свій напрямок, а по величині буде дорівнюватистатичному зворотному струмові діода iзв. Однак практично, у перший моментспостерігається різке збільшення зворотного струму через діод i1, і лишепоступово з плином часом він зменшується до значення, рівного iзв.
/>
Рисунок 2.1- Схема перемикання йосцилограми вхідної напруги і струму через діод
Наслідком перехідного процесу, щоспостерігається, є ефект нагромадження і розсмоктування нерівноважних носіївзаряду в базі діода. Тривалість етапу розсмоктування прямо пропорційна часужиття дірок у базі і залежить від співвідношення прямого iпр і зворотного iзвструмів, що проходять через діод. З ростом iпр заряд, накопичений у базі дірок,зростає, що при незмінному струмі iзв приводить до збільшення tроз. Принезмінному струмі iпр час розсмоктування тим менше, чим більше зворотний струмiзв. Тривалість tроз можна визначити з наступного трансцендентного рівняння:
/> , (2.1)
де
/> - функція помилок (error function).(2.2)
/>
Рисунок 2.2-Схема діода та вид розподілурівноважних концентрацій носіїв заряду в p- та n- областях (а); розподіл діроку різні моменти після перемикання (б)
Відомо, що при подачі на діод рис. 2.2, а прямогозсуву p-n перехід інжектує в область бази дірки, що під дією дифузіїпереміщаються в напрямку базового омічного контакту. У процесі дифузії частинаінжектованих дірок рекомбінує з електронами бази, тому концентрація надлишковихдірок зменшується в міру віддалення від р-n переходу. При тривалому протіканніпрямого струму процес рекомбінації дірок у базі врівноважується їхньоюінжекцією р-n переходом. Виникає деякий сталий стан, що характеризується такимрозподілом дірок,, який на рис. 2.2, б зображений кривою при t = 0. Повнакількість дірок у базі діода при протіканні прямого струму значно більше, ніж увипадку, коли струм через діод не протікає. Відбувається накопичення дірок або,оскільки дірки можна вважати зарядженими частками, накопичення заряду. Призсуві р-n переходу в зворотному напрямку дірки з базової області безперешкоднопереходять у р — область. Величина виникаючого унаслідок цього зворотногоструму залежить від концентрації дірок біля р-n переходу з боку бази. Чимбільше ця концентрація, тим більше і зворотний струм, при цьому байдуже, щоз'явилося причиною зростання числа вільних дірок — вплив світла, підвищеннятемператури або ефект накопичення заряду.
Концентрація накопичених дірок поблизу р-nпереходу звичайно досить велика, і велика також швидкість їхнього переміщення вр-область, тому при різкому перемиканні прикладеної до діода напруги черезнього міг би протікати значний (теоретично нескінченний) зворотний струм.Іншими словами, відразу після перемикання р-n перехід має нульовий опір.
Завдяки наявності обмежуючого опору Rнзворотній струм через діод відразу після перемикання не може бути нескінченновеликим, а дорівнює
/>, (2.3)
де Uімп — амплітуда імпульсу зворотної напругина вході схеми рис.2.2, а.
В міру протікання зворотного струмукількість надлишкових дірок у базі зменшується як за рахунок їхньоговитягування в р-область, так і внаслідок процесу, що неприпиняється — рекомбінації з електронами.
Розподіл концентрації дірок у різні моментичасу після перемикання показано на рис. 2.2, б. Доти, поки концентрація дірок вточці з координатою x = 0 не знизиться до нуля, через р-n перехід протікаєвеликий зворотний струм, який обмежується лише опором навантаження. Надалізворотний струм зменшується, досягаючи з часом значення, рівного iзв.
Таким чином, перехідна характеристика діодапри перемиканні його з прямого напрямку на зворотний містить в собі дві фази:фазу постійного зворотного струму (або фазу високої зворотної провідності) іфазу спаду (або відновлення) зворотного струму.
2.2 Заряд перемикання
Заряд перемикання — повна величина заряду,що переноситься перехідним зворотнім струмом після перемикання діода з певногопрямого струму на імпульсну зворотну напругу.
Вимірювання заряду перемикання виконуєтьсяза допомогою схеми, яка зображена на рис 2.3
/>
Рисунок 2.3 – Спрощена схема установки длявимірювання заряду перемикання
Коли імпульс від генератора імпульсівзворотної напруги (ГІЗН) не надходить, тоді через діод проходить постійнийпрямий струм від джерела постійної напруги />. При проходженні прямого струму у діодівідбувається накопичення заряду.
Генератор ГІЗН виробляє імпульси напруги,які подаються на діод у зворотному напрямі. Амплітуда імпульсів та їхтривалість підібрані таким чином, щоб за час імпульсу зворотній струм діода мігповністю скомпенсувати накопичений в діоді заряд. Частота проходження імпульсівобирається настільки низкою, щоб за час між імпульсами в діоді встигнакопичитися заряд.
За час проходження в дослідженому діоді (ДД)прямого струму до роз’єднувального діода (/>) напруга прикладена у прямому напрямі, тоді /> пройде і через />. В той самий час роз’єднувальний діод />зачинений, тому що до ньогонапруга прикладена у зворотному напрямі. Напрям прямого струму вказанийстрілкою. Під час дії імпульсу зворотної напруги відчиняється /> і зачиняється />. У цьому випадку /> проходить через />. Щоб накопичення заряду в /> і /> незаважало роботі пристрою, використовують спеціальні імпульсні діоди, в якихнакопичений заряд дуже малий.
Зворотній струм проходить через конденсаторта заряджає його. Заряд, отриманий конденсатором за час імпульсу, дорівнюєзаряду, який до початку зворотного імпульсу мав ДД. Опір мікроамперметра невикривляє процес передачі заряду від діода до конденсатора, так як він великий.Коли імпульс зворотної напруги закінчиться, то напруга на /> знов стає зворотною та коло, якескладалось з конденсатора та мікроамперметра, як би відключається від іншогокола. У конденсатора залишається лише один шлях для розряду – черезмікроамперметр.
В якості мікроамперметра використовуютьприлад постійного струму магнітоелектричної системи. Такі прилади показуютьсереднє значення струму, який змінюється в часі. Заряд перемикання дорівнюєсередньому значенню струму розряду />, який проходить через мікроамперметр, поділеному начастоту проходження імпульсів />.
Наведена на рис.2.3 схема зручна дляпояснення принципу вимірювання заряду перемикання, але є спрощеною. Реальна схема,яку зображено на рис.2.4, дещо відрізняється .
/>
Рисунок 2.4 — Схема установки длявимірювання заряду перемикання
По-перше, наявністю опору /> і ємністю /> в колі зворотної напруги. Опір /> призначений для забезпечення вихідногоопору джерела зворотної напруги в межах, визначених стандартом [5]. Ємність /> не дозволяє постійному струмувід джерела постійної напруги Е проникнути в генератор імпульсів зворотноїнапруги, тобто розділяє кола постійного та імпульсного струмів. Опір /> визначає величину прямого струму/>, при якому проводитьсявимір заряду перемикання. Ємність /> - це паразитна ємність монтажу в точці А. Ємність /> тотожня ємності С в схемі рис2.3.
3. Особливості перемикання для діодіврізних конструкцій
Імпульсними називають такінапівпровідникові діоди, які завдяки спеціально прийнятим конструктивно – технологічнимзаходам можуть працювати в швидкодіючих імпульсних схемах з часом перемикання 1мксек і менш.
Основною причиною інерційностінапівпровідникових діодів при роботі їх в режимі перемикання є ефектнакопичення нерівноважних носіїв заряду поблизу p-n переходу. Вивчення основнихфізичних закономірностей, пов’язаних з цим ефектом, дозволяє розрахувати інерційністьдіода в тій чи іншій схемі й знайти технологічні шляхи, які дозволять зменшитиефект накопичення й підвищити швидкодію діода. Крім того, важливу роль вінерційності діода грає бар’єрна ємність p-n переходу. Оскільки мале значеннябар’єрної ємності є типовим і для високочастотних діодів, у ряді випадківокремі типи цих приладів з успіхом використовуються в імпульсних схемах.Відомо, що роль ефекту накопичення нерівноважних носіїв заряду слабшає призменшенні їх часу життя. Зниження величини бар’єрної ємності досягаєтьсязменшенням площі p-n переходу.
Таким чином, головні ознаки, що відрізняютьімпульсні діоди від інших діодів, — це мала площа p-n переходу та малий часжиття нерівноважних носіїв заряду.
За способом виготовлення p-n переходуімпульсні діоди поділяються на точкові, сплавні, дифузійні та епітаксіальні.
3.1 Сплавні діоди
Отримання електронно — діркових переходівсплавленням – найбільш простий метод виготовлення германієвих та кремнієвихдіодів. Перевагою цього методу є відносно простий технологічний процес, який непотребує дорогокоштуючого обладнання, а недоліками – великий розкид параметрівта обмежений частотний діапазон приладів.
Процес сплавлення полягає в тому, внапівпровіднику даного типу провідності створюється область протилежного типупровідності. Для цього у поверхню початкового кристала напівпровідникавплавляють який – небудь елемент III або V групи періодичної таблиці Д.І.Мендєлєєва. Елементи III групи (індій, алюміній, галій, бор) є акцепторами іпри сплавленні з електронним напівпровідником утворюють область з дірковимтипом провідності. Елементи V групи (сурма, миш’як, фосфор, вісмут ) є донорамиі при сплавленні з дірковим напівпровідником утворюють область з електроннимтипом провідності.
На рис.3.1, зображений сплавний діод.
/>
Рисунок 3.1- Конструкція p-n переходу сплавнихдіодів
Так, при створенні кремнієвих сплавнихімпульсних діодів у кристал кремнію вплавляється кінець тонкої алюмінієвоїпроволоки. Після охолодження у місці спаю створюється дуже тонкий шар кремнію,збагачений алюмінієм, який ще й має той самий напрямок кристалографічних осей,що й вихідний монокристал. Цей шар називається рекристалізованим. Границя міжвихідним монокристалом електронної провідності й сильно легованим р- шаромявляє собою p-n перехід.
При створенні аналогічних германієвихдіодів замість методу сплавлення у печі використовують метод імпульсної зварки.До кристалу германія, закріпленого на балоні, підводиться тонка золота голка ічерез отриманий контакт пропускають імпульс струму великої амплітуди. Завдякинизькій температурі плавлення сплава золото- германій (~370ºС) кінецьзолотої голки зварюється з германієм. Описанні діоди отримали назву діодів ззолотим зв’язком.
У більшості випадків дифузійна довжина />носіїв заряду у базі дуже мала(не більше 20-30мкм), так що радіус кривизни фронта вплавлення значно перевищуєвеличину />.Тому можнавважати, що сплавні діоди являють собою прилад з плоским p-n переходом.
Важливою характеристикою перехідногопроцесу в діоді є величина заряду перемикання Qп, що дорівнює повномуелектричному зарядові, відданому діодом у зовнішнє коло після перемикання іскладає частину накопиченого при протіканні прямого струму заряду />.
Якщо у колі тече великий струм (/>), тоді для сплавних діодів зарядперемикання дорівнює:
/>(3.1)
У площинного сплавного діода />, тоді
/> (3.2)
При зменшенні струму /> величина /> зменшується. Залежність /> від режиму перемикання при виконуванні нерівності0,1
/> (3.3)
У випадку сплавного діода з товстою базовоюобластю (/>) тривалість фазипостійного зворотного перехідного струму />, тобто тривалість плоскої частини імпульсу зворотногоструму(«полички»), визначається виразом:
/>,(3.4)
де
/> - функція помилок (error function).(3.5)
Величина t1 пропорційна/>, а також залежить від відношення />. Для великих і малих значень i1використовуючи формули розкладання інтеграла помилок у ряд, можна одержативирази, що визначають t1 у явному виді.
З 10%-ною точністю, при /> > 1 маємо:
/> ,(3.6)
тоді час життя можна визначити так:
/>(3.7)
За умови 0,01
/>(3.8)
тоді час життя можна визначити так:
/>(3.9)
3.2 Точкові діоди
Точковими називають такі напівпровідниковідіоди, в яких розміри випрямляючого контакту значно менші за відстань до невипрямляючогоконтакту.
Частотні характеристики діодів поліпшуютьсязі зменшенням площі випрямляючого контакту та при зниженні часу життянеосновних носіїв заряду. В діапазоні десятків і сотень мегагерц в якостідостатньо ефективних випрямлячів практично можуть використовуватися лишеточкові діоди, для яких характерна мала площа випрямляючого контакту(/>і менше ).
В точкових діодах випрямляючий контактстворюється шляхом притиснення жорсткої загостреної голки зі сплаву вольфраму змолібденом до заздалегідь очищеної поверхні кристалу напівпровідникаелектронної провідності. Розмір кристалу, як правило, складає 1 х 1 х 0,2мм.Радіус області дотику голки з германієм звичайно не перевищує 5-7мкм.
/>
Рисунок 3.2 — Конструкція p-n переходуточкових діодів
Оскільки вольт-амперна характеристикапритискного контакту нестабільна, після герметизації зібраного діода проводятьелектроформовку- пропускання через притискний контакт електричних імпульсіввеликої потужності. Під дією цих імпульсів приконтактна область напівпровідникадуже розігрівається, і безпосередньо під вістрям голки створюється невелика порозмірам р- область.
У деяких випадках для поліпшенняхарактеристик діода на вістря контактної голки наносять домішку, яка утворюєакцепторні центри у германії та кремнії. Такі діоди відрізняються великимирозмірами р- області і значно більшою прямою провідністю, ніж чисто точковідіоди.
При виготовленні точкових діодів інодівикористовують германій зі зниженим часом життя нерівноважних носіїв, алечастіше використовують стандартні марки напівпровідників, так як в процесіелектроформовки завдяки сильному термічному впливу час життя носіїв заряду уприконтактній області падає. Але, навіть, при дуже малому часі життя дифузійнадовжина все ще перевищує декілька мікрометрів і, як привило, виявляється більшерадіуса випрямляючого контакту. По цій причині інерційність точкових діодівзалежить не тільки від часу життя нерівноважних носіїв заряду, але й вбільшому ступені від геометричних розмірів випрямляючого контакту.
Для точкових діодів заряд перемиканнядорівнює:
/>(3.10)
Якщо вважати, що в точковому діоді p-nперехід має вигляд півсфери радіуса />, тоді при /> тривалість «полички» у 3 рази, а при /> — у 6 разів менше розрахованої заформулою:
/>,(3.11)
де
/> - функція помилок (error function).(3.12)
При дуже малих значеннях /> (при />) можна використовувати наступну формулу:
/>,(3.13)
яка дозволяє оцінити порядок величини /> при />. Цікаво відзначити, що відповідно до останньоїформули величина t1 визначається лише радіусом точкового контакту і не залежитьвід часу життя дірок.
3.3 Дифузійні діоди
Проникнення атомів однієї речовини міжатомами іншої називається дифузією. Процеси дифузії підкоряються двом законамФіка.
Перший закон Фіка характеризує швидкістьпроникнення атомів однієї речовини в іншу при постійному в часі потоці цихатомів та незмінному градієнті їх концентрацій:
/>, (3.14)
де /> — вектор густини потоку атомів речовини;
D – коефіцієнт пропорційності;
/> - вектор градієнта концентрації дифузійних атомів.
Коефіцієнт дифузії D визначає величинугустини потоку атомів речовини при заданому градієнті концентрацій. Так якдифузійний потік атомів речовини іде в напрямку перепаду концентрацій, токоефіцієнт D /> є міроюшвидкості, з якою система здатна при вказаних умовах зрівняти різницюконцентрацій. Ця швидкість залежить тільки від рухливості дифундуючих атомів урешітці напівпровідника. Швидкість дифузії залежить лише від кристалографічногонапрямку.
Другий закон Фіка визначає швидкістьнакопичення розчиненої домішки у будь – якій площини, перпендикулярній напрямкудифузії:
/>, (3.15)
де /> — змінення концентрації дифундуючої речовини зчасом.
Якщо коефіцієнт D можна вважати постійним,тоді рівняння дифузії має вигляд:
/>; (3.16)
Це припущення справедливе у більшості практичнихвипадків дифузії у напівпровідниках.
Широке розповсюдження отримали дифузійнідіоди. У цих приладах використовується метод дифузії донорних або акцепторнихдомішок в твердий напівпровідник. Проникаючи на деяку глибину під поверхню,дифундуючі атоми змінюють тип провідності цієї частки кристалу, внаслідок чоговиникає p-n перехід (рис.3.3)
/>
Рисунок 3.3 -Конструкція p-n переходу меза- дифузійних діодів
Методами фотолітографії формують вікна вшарі діоксіду кремнія. Через ці вікна шляхом дифузії проводять селективневведення легуючої домішки у приповерхневу область монокристалічної кремнієвоїпідкладки. Дифузія домішок у напівпровідник веде до утворювання p-n переходу намежі дифузійної області. Оскільки дифузія проходить не тільки в напрямку,перпендикулярному поверхні підкладки, але й в бокових напрямках, під крайокисної маски, на поверхню підкладки p-n перехід виходе не на межі вікна, а вобласті, віддаленій від цієї межі на відстань, яка приблизно дорівнює глибинізалягання p-n переходу в середній частині вікна. Це виключає можливостіпотрапляння до області p-n переходу забруднень через вікна.
Швидкість дифузії визначаєтьсятемпературою, при якій проходить процес, і хімічним складом (типом) домішки.Процеси дифузії проводять в електропечах при температурі: для Si при1000…1300ºС, а для GaAs 600 … 900 ºС. Дифузійний процес займає небільш декількох часів. Після охолодження до нормальної температури швидкістьдифузійного процесу настільки сповільнюється, що напівпровідникові пластинипостійно зберігають концентрацію та глибину залягання введеної домішки.
Для одного й того ж вихідного матеріалу призаданій температурі дифузії глибина залягання p-n переходу залежить від часудифузії. Чим більше час дифузії, тим глибше залягає p-n перехід (1…50мкм). Чимглибше залягає p-n перехід, тим вище пробивна напруга діода. Таким чином,змінюючи режими дифузії, можна отримати p-n перехід з необхідною пробивноюнапругою.
Окрім того, в дифузійних структурах завдякиплавному зміненню концентрації домішки в області p-n переходу і більш широкоїобласті об’ємного заряду питома ємність(тобто ємність на одиницю площі випрямляючогоконтакту) є меншою, ніж в структурах, отриманих за сплавною технологією.
Характерною особливістю дифузійних діодів єнаявність внутрішнього гальмуючого поля в базі біля p-n переходу, яке зумовлененерівномірним
розподілом іонізованих домішок. Внаслідокцього накопичення дірок при протіканні прямого струму має місце тільки поблизуp-n переходу, оскільки гальмуюче поле перешкоджає їх дифузії в віддаленіобласті бази. Загальна кількість накопичених дірок при цьому не змінюється таїх заряд дорівнює:
/> .(3.17)
Важливим конструктивним параметром цихдіодів є величина гальмуючого поля, яка визначається виразом:
/>(3.18)
де а – градієнт концентрації,
N – концентрація іонізованої домішки уданій точці бази.
Ступінь впливу гальмуючого поля на виглядперехідного процесу визначається співвідношенням величини цього поля здифузійною довжиною дірок в базі />; для кількісної оцінки використовуєтьсябезрозмірний коефіцієнт, який дорівнює:
/>(3.19)
У дифузійних діодах тривалість фази високоїзворотної провідності />більш,ніж у сплавних діодах, а тривалість фази спаду зворотного струму /> менш. У деяких типів дифузійнихдіодів перехідна характеристика перемикання має майже прямокутний вид.
Подібні прилади, що одержали назву діодів знакопиченням заряду(ДНЗ), знаходять все більш широке використання в рядіоригінальних електронних схем, де вони є майже головними активними елементами.
При створенні діодів з накопиченням зарядудля отримання прямокутної перехідної характеристики прагнуть максимальнозбільшити величину /> гальмуючогополя. В реальних ДНЗ величина />,як правило, більше 5.
У дифузійних діодів тривалість плоскоїчастини імпульсу зворотного струму завжди більше, ніж у сплавних з таким жечасом життя дірок. У граничному випадку, коли гальмуюче поле в базі дифузійногодіода велике, маємо що
/>,(3.20)
тоді для часу життя маємо:
/>. (3.21)
Звідси можна зробити висновок, щорозходження між сплавними і дифузійними діодами стають значними при такихрежимах перемикання, коли i1 > iпр і тривалість полички мала.
Заряд перемикання у дифузійних діодів, при />, справедлива наближена формула:
/> , (3.22)
3.4 Епітаксіальні діоди
Слово «епітаксія» має грецьке походження:«епі» означає «на» і «таксіс» — «розташовано в порядку». Епітаксією називаютьметод вирощування шляхом хімічної реакції на поверхні кристалу тонких шарівнапівпровідникових матеріалів зі збереженням кристалічної структури первинногокристалу. Таким методом на поверхні сильнолегованої низькоомної підкладкивирощують високоомні епітаксіальні шари, добиваючись бажаних електричнихвластивостей та механічної міцності.
Епітаксіальний метод виготовленнянапівпровідникових приладів відрізняється від дифузійного тим, що в ньому невідбувається змін фізичних властивостей основного матеріалу підкладки.Використовуючи епітаксіальну технологію, можна отримувати на одній підкладцідекілька поверхневих шарів, товщина та опір яких легко регулюється.
Для отримання низького опору бази діодапервинний кристал напівпровідника обирають з меншим питомим опором. Однак прицьому
виходить мала ширина p-n переходу, малапробивна напруга і велика бар’єрна ємність. Щоб уникнути цього, базу діода інодіроблять двошаровою(рис3.4).
/>
Рисунок 3.4 – Епітаксіально — дифузійнийпланарний діод
Епітаксіальні шари можна отримувати методомвирощування з газової фази або напиленням у вакуумі. При осадженні речовини згазової фази початковим матеріалом служат тетрахлорід (/>) і тетрабромід (/>) кремнія, трихлорсілан (/>) та інші з'єднання, які відновлюються воднем, якийодночасно виконує роль газа-носія.
Основна реакція, за допомогою якої на підкладцінарощують кремнієві шари, складається з відновлення тетрахлорсілана в водні:
/> (твердий) + 4HCl (газ).
Звичайно кремнієві шари вирощують зішвидкістю /> при температурі1200ºС й вище.
Напилення шарів у вакуумі полягає упринципі локального нагріву та випаровуванні напівпровідника і легуючоїречовини з подальшим осадженням їх парів на нагріті підкладки.
Також широко використовується рідиннаепітаксія.
Епітаксіальні p-i-n структури можутьвиготовлятися двома способами. Структури з товщиною бази 100 мікрометрів і вищевиготовляються шляхом епітаксіального нарощування p+ шару на одну сторону і n+шару на другу сторону високоомної підкладки, яка надалі виконує роль бази.Структури з тонкими базами виготовляють шляхом нарощування на товстій n+ або p+підкладці тонкого високоомного базового шару, а потім p+ або n+ шари. У будь-якомувипадку характерним для епітаксіального процесу є те, що профіль легуваннянарощуваних шарів однорідний, перехід від шару до шару різкий, не симетричний,гальмуюче поле в базі, яке присутнє в дифузійних структурах, відсутнє. Тому врежимі перемикання епітаксіальні структури поводяться як площинні сплавнідіоди, тобто для них справедливі вирази (3.2),(3.7),(3.9).
4. Експерименти по визначенню зарядуперемикання досліджуваних діодів
4.1 Експериментальна установка
Для виконання експериментальних робітвикористовується установка, схема якої зазначена на рис 4.1
/>
Рисунок 4.1 — Лабораторна установка длявиміру заряду перемикання Qп і спостереження осцилограм напруги і струму приперемикання діода з прямого струму на зворотну напругу
Оскільки основним завданням роботи євимірювання заряду перемикання, то всі вимірювання приводились при замкнутомуключі />, та ключі /> переведеному в положення А. Вякості діодів /> і /> використовуються діоди КД510.Розраховані на максимально постійному прямому струмі 200 мА та на прямомуімпульсному струмі 1,5 А.
Вимірювання заряду перемикання, як відомо,передбачає виведення накопиченого в досліджуваному діоді заряду в зовнішнє колонеобмежено великим струмом при опорі зовнішнього кола близько «0».Наявність конденсатора /> увимірювальній схемі дійсно зводить опір зовнішнього кола в момент виведеннянакопиченого заряду практично до «0». Але за законом Ома струм у колінавіть при нульовому опорі зовнішнього кола не є нескінченим, а визначаєтьсявнутрішнім опором джерела ЕРС, в нашому випадку це емітерний підсилювач – блок />, з вихідним опором 50 Ом. Томупри максимальній вихідній напрузі 50 В, максимальний струм у колі не будеперевищувати 1 А, що узгоджується з параметрами досліджу вального діода.
4.2 Методика експерименту
Переводимо лабораторну установку в режимвиміру заряду перемикання: ключ К1 в положення «ВКЛ», ключ К2 у положення «А».
Встановлюємо досліджуваний діод або p-i-n структуру.
Вибираємо таку частоту імпульсів зворотноїнапруги, щоб середній зворотній струм можна було виміряти з достатньоюточністю.
Для інтервалу прямих струмів від 10 до 120мА з кроком 10 мА вимірюємо зворотній середній струм та обчислюємо значення /> за формулою:
/>.
Будуємо на комп’ютері за допомогою програмиAdvanced Grapher графік залежності заряду перемикання від прямого струму />.
Виконуємо апроксимацію залежності />.
Якщо лінія апроксимації (при />) перетинає вісь /> не в нульовій точці, а при якомусь значенні />, вносимо поправку на ці величинив таблиці значень.
За отриманими поправленими значеннямиобраховуємо величину ефективного часу життя
/>,
будуємо графіки залежності /> та відносної зміни часу життя
/>/>,
де /> - час життя при початковому струмі діапазонувимірювань.
5. Отримані результати та їх аналіз
Експериментальні дані були отримані длявітчизняних діодів марки КД202, Д226Б, Д242Б та для p-i-n структур, отриманідля заряду перемикання та часу життя (рис. 5.1).
Таблиця 5.1-Експериментальні данніПрямий струм, мА Середній зворотний струм, мкА, заряд перемикання, нКл та час життя, мкс КД242 (f=160Гц) КД202 (f=160Гц) Д226 (f=5000Гц)
/> τ
/> τ
/> τ 10 219 21,9 150 15 10 1 20 435 21,75 297 14,85 19 0,95 30 640 21,33 438 14,6 28 0,93 40 843 21,07 570 14,25 36 0,9 50 1033 20,66 696 13,92 44 0,88 60 1222 20,36 819 13,65 51 0,85 70 1399 19,98 933 13,33 58 0,83 80 1574 19,68 1043 13,04 64 0,8 90 1734 19,26 1143 12,73 69 0,77 100 1893 18,93 1242 12,42 74 0,74 110 2047 18,6 1334 12,13 78 0,7 120 2189 18,24 1419 11,83 81 0,68
/>
Рисунок 5.2 –Залежність заряду перемиканнявід прямого струму для діодів КД242, КД 202 та Д226
/>
Рисунок 5.3 – Залежність часу життя відпрямого струму для діодів КД242, КД 202 та Д226
Таблиця 5.2 – Відносна зміна часу життя длядіодів Д242, КД202 та Д226Прямий струм, мА КД242 (f=160Гц) КД202 (f=160Гц) Д226 (f=5000Гц) τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> 10 21,97 1 15,08 1 0,99 1 20 21,67 0,99 14,8 0,98 0,96 0,97 30 21,34 0,97 14,52 0,96 0,93 0,94 40 21,01 0,96 14,23 0,94 0,9 0,9 50 20,69 0,94 13,95 0,93 0,88 0,89 60 20,35 0,93 13,65 0,9 0,85 0,86 70 20 0,91 13,35 0,89 0,82 0,83 80 19,66 0,89 13,05 0,87 0,8 0,8 90 19,3 0,88 12,75 0,85 0,77 0,77 100 18,95 0,86 12,43 0,83 0,74 0,75 110 18,59 0,85 12,13 0,8 0,7 0,7 120 18,22 0,83 11,8 0,78 0,68 0,69
/>
Рисунок 5.4 – Залежність відносної зміничасу життя від прямого струму для діодів КД242, КД 202 та Д226
Таблиця 5.3 — Заряд перемикання та часжиття для дифузійних p-i-n структурПрямий струм, мА Заряд перемикання, нКл та час життя, мкс Дифузійні p-i-n структури(f=100Гц) Ø10мм Ø5мм Ø3мм Ø1,5мм Ø1,5мм
/> τ
/> τ
/> τ
/> τ
/> τ 10 514 51,4 400 40 291 29,1 149 14,9 127 12,7 20 1030 51,4 795 39,75 581 29,05 294 14,7 253 12,65 30 1521 50,7 1165 38,83 855 28,5 432 14,4 370 12,33 40 2013 50,33 1530 38,25 1129 28,23 559 13,98 485 12,13 50 2481 49,62 1871 37,42 1388 27,76 679 13,58 591 11,82 60 2950 49,17 2207 36,78 1645 27,42 795 13,25 695 11,58 70 3406 48,66 2519 35,99 1888 26,97 900 12,86 790 11,29 80 3840 48 2824 35,3 2130 26,63 1001 12,51 883 11,04 90 4262 47,36 3106 34,51 2357 26,19 1092 12,13 968 10,76 100 4683 46,83 3374 33,74 2576 25,76 1176 11,76 1048 10,48 110 5082 46,2 3635 33,05 2793 25,39 1254 11,4 1124 10,22 120 5510 45,92 3874 32,28 2997 24,98 1324 11,03 1193 9,94
/>
Рисунок 5.5 – Залежність заряду перемиканнявід прямого струму для дифузійних p-i-n структур
/>
Рисунок 5.6 – Залежність часу життя відпрямого струму для дифузійних p-i-n структур
Таблиця 5.4 – Відносна зміна часу життя длядифузійних p-i-n структурПрямий струм, мА Дифузійні p-i-n структури Ø10мм Ø5мм Ø3мм Ø1,5мм Ø1,5мм τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> 10 51,68 1 40,18 1 49,24 1 14,98 1 12,78 1 20 51,2 0,99 39,53 0,99 48,19 0,98 14,65 0,98 12,56 0,98 30 50,7 0,98 38,85 0,98 47,09 0,97 14,3 0,95 12,32 0,96 40 50,19 0,97 38,16 0,96 45,98 0,95 13,95 0,93 12,08 0,95 50 49,68 0,96 37,47 0,94 44,88 0,93 13,61 0,9 11,83 0,92 60 49,14 0,95 36,76 0,92 43,73 0,92 13,25 0,88 11,57 0,9 70 48,59 0,94 36,03 0,91 42,57 0,9 12,88 0,86 11,31 0,88 80 48,05 0,93 35,3 0,89 41,42 0,88 12,52 0,84 11,05 0,86 90 47,48 0,92 34,55 0,88 40,22 0,87 12,14 0,81 10,77 0,84 100 46,9 0,91 33,78 0,85 39,01 0,85 11,77 0,79 10,49 0,82 110 46,32 0,9 33,03 0,83 37,82 0,83 11,39 0,76 10,21 0,8 120 45,71 0,89 32,23 0,82 36,57 0,79 11 0,73 9,92 0,78
/>
Рисунок 5.7 – Залежність відносної зміничасу життя від прямого струму для дифузійних p-i-n структур
Таблиця 5.5 — Заряд перемикання та часжиття для дифузійних p-i-n структур (без освітлення)Прямий струм, мА Заряд перемикання, нКл та час життя, мкс (без освітлення) Дифузійні p-i-n структури(f=160Гц) Ø10мм Ø5мм Ø3мм Ø1,5мм Ø1,5мм
/> τ
/> τ
/> τ
/> τ
/> τ 10 160,5 16,05 118,9 11,89 131 13,1 52,01 5,2 36,8 3,68 20 314,2 15,71 231,6 11,58 254,2 12,7 99,18 4,96 71,5 3,58 30 468,8 15,62 343,6 11,45 375,6 12,52 145,6 4,86 105,9 3,53 40 620,3 15,5 452,4 11,31 492,2 12,3 189,6 4,74 141,2 3,53 50 765,3 15,3 555,1 11,1 601,3 12,03 230,2 4,6 170 3,4 60 910,8 15,18 657 10,95 708,5 11,8 269,3 4,49 200,6 3,34 70 1053 15,04 755,5 10,79 810,6 11,58 30,58 4,37 229,9 3,28 80 1189 14,87 848,3 10,6 910,3 11,38 339,1 4,24 257,2 3,22 90 1326 14,73 939,9 10,44 998,5 11,09 370,7 4,12 284 3,15 100 1459 14,6 1028 10,28 1086 10,86 399,8 3,9 309,6 3,09 110 1587 14,42 1111 10,1 1167 10,61 425,7 3,87 333,3 3,03 120 1714 14,28 1191 9,93 1245 10,38 449,9 3,75 356,3 2,97
/>
Рисунок 5.8 – Залежність заряду перемиканнявід прямого струму для дифузійних p-i-n структур(без освітлення)
/>
Рисунок 5.9 – Залежність часу життя від прямогоструму для дифузійних p-i-n структур(без освітлення)
Таблиця 5.6 – Відносна зміна часу життя длядифузійних p-i-n структур (без освітлення)Прямий струм, мА Дифузійні p-i-n структури (без освітлення) Ø10мм Ø5мм Ø3мм Ø1,5мм Ø1,5мм τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> 10 15,97 1 11,83 1 13,02 1 5,15 1 3,67 1 20 15,8 0,99 11,65 0,98 12,78 0,98 5,01 0,97 3,6 0,98 30 15,64 0,98 11,47 0,97 12,54 0,96 4,88 0,95 3,54 0,96 40 15,48 0,97 11,29 0,95 12,29 0,94 4,74 0,92 3,48 0,94 50 15,32 0,96 11,12 0,94 12,05 0,93 4,61 0,9 3,41 0,93 60 15,17 0,95 10,94 0,92 11,8 0,9 4,5 0,87 3,35 0,91 70 15,02 0,94 10,77 0,91 11,57 0,88 4,35 0,84 3,28 0,89 80 14,87 0,93 10,6 0,9 11,33 0,87 4,22 0,82 3,22 0,88 90 14,72 0,92 10,43 0,88 11,09 0,85 4,1 0,8 3,16 0,86 100 14,58 0,91 10,27 0,87 10,86 0,83 3,97 0,77 3,09 0,84 110 14,44 0,9 10,11 0,85 10,62 0,82 3,86 0,75 3,02 0,82 120 14,3 0,89 9,94 0,84 10,39 0,79 3,74 0,73 2,97 0,8
/>
Рисунок 5.10 – Залежність відносної зміничасу життя від прямого струму для дифузійних p-i-n структур(без освітлення)
Таблиця 5.7 — Заряд перемикання та часжиття для епітаксіальних p-i-n діодів КД524Прямий струм, мА Заряд перемикання, нКл та час життя, мкс Епітаксіальні p-i-n діоди КД524 (f=16000Гц) №2 №4 №6 №8 №10
/> τ
/> τ
/> τ
/> τ
/> τ 10 0,26 0,026 0,287 0,029 0,304 0,03 0,226 0,023 0,295 0,03 20 0,49 0,025 0,543 0,027 0,587 0,029 0,433 0,022 0,567 0,028 30 0,71 0,024 0,789 0,026 0,857 0,028 0,638 0,021 0,827 0,027 40 0,93 0,023 1,2 0,025 1,1 0,028 0,835 0,02 1,069 0,026 50 1,12 0,022 1,22 0,024 1,332 0,027 1,019 0,02 1,29 0,025 60 1,3 0,021 1,43 0,024 1,542 0,026 1,2 0,019 1,498 0,025 70 1,48 0,021 1,611 0,023 1,733 0,025 1,373 0,019 1,689 0,024 80 1,63 0,02 1,774 0,022 1,899 0,024 1,533 0,019 1,858 0,023 90 1,78 0,019 1,925 0,021 2,05 0,023 1,69 0,018 2,013 0,022 100 1,91 0,019 2,06 0,02 2,181 0,022 1,839 0,018 2,151 0,021 110 2,03 0,018 2,18 0,019 2,289 0,021 1,976 0,017 2,269 0,02 120 2,13 0,017 2,28 0,019 2,38 0,02 2,109 0,017 2,372 0,019
/>
Рисунок 5.11 – Залежність зарядуперемикання від прямого струму для епітаксіальних p-i-n діодів КД524
/>
Рисунок 5.12 – Залежність часу життя відпрямого струму для епітаксіальних p-i-n діодів КД524
Таблиця 5.8 – Відносна зміна часу життя дляепітаксіальних p-i-n діодів КД524Прямий струм, мА Епітаксіальні p-i-n діоди КД524 (f=16000Гц) №2 №4 №6 №8 №10 Τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> τ, мкс
/> 10 0,027 1 0,028 1 0,027 1 0,023 1 0,029 1 20 0,026 0,95 0,027 0,97 0,026 0,96 0,022 0,96 0,028 0,97 30 0,025 0,93 0,026 0,92 0,025 0,93 0,021 0,92 0,026 0,9 40 0,023 0,86 0,025 0,89 0,024 0,89 0,02 0,87 0,025 0,86 50 0,022 0,82 0,024 0,85 0,023 0,85 0,019 0,83 0,024 0,83 60 0,021 0,78 0,023 0,82 0,022 0,82 0,019 0,8 0,023 0,79 70 0,02 0,74 0,022 0,78 0,021 0,78 0,018 0,78 0,022 0,76 80 0,019 0,71 0,021 0,75 0,02 0,74 0,018 0,77 0,021 0,72 90 0,018 0,67 0,02 0,72 0,02 0,72 0,018 0,76 0,02 0,69 100 0,018 0,66 0,02 0,7 0,019 0,7 0,017 0,74 0,02 0,69 110 0,018 0,64 0,019 0,68 0,019 0,69 0,017 0,73 0,019 0,67 120 0,017 0,62 0,019 0,66 0,018 0,67 0,017 0,72 0,019 0,66
/>
Рисунок 5.13 – Залежність відносної зміничасу життя від прямого струму для епітаксіальних p-i-n діодів КД524
Таблиця 5.9-Залежність часу життя тавідносної зміни часу життя від діаметра дифузійних p-i-n структурДіаметр структури, мм
Дифузійні p-i-n структури(/>) (з освітленням) (без освітлення) τ, мкс
/> τ, мкс
/> 10 49,14 0,953 15,17 0,95 5 36,76 0,93 13,94 0,92 3 27,4 0,92 10,8 0,9 1,5 11,57 0,88 3,35 0,87
/>
Рисунок 5.14 – Залежність часу життя віддіаметра p-i-n структури
/>
Рисунок 5.15 – Залежність відносної зміни часужиття від діаметра p-i-n структури
6. Охорона праці
Я працювала з установкою, що спостерігаєперехідні процеси у напівпровідникових структурах. Ця лабораторна установказнаходиться в аудиторії № 51 в першому корпусі ЗДУ (лабораторія електрофізичнихпараметрів матеріалів ТЕМ). Ця лабораторія відповідає всім вимогаммікроклімата: температура повітря була приблизно 23 оС, відносна вологість від45 до 55%, швидкість вітру 0,4 м / с.
До складу цієї установки входять:
генератор імпульсів Г5-54;
осцилограф двопроменевий С1-96;
джерело зворотної напруги;
магазину резисторів МСР-63;
блок Б1 – підсилювач імпульсів зворотноїнапруги;
блок Б2 – адаптер, що включає в себеємність С1, допоміжні діоди та досліджує мий діод;
вольтамперметр М1104, використаний в режиміреєстрації прямого струму;
вольтамперметр М2044, використаний в режиміреєстрації середнього зворотного струму;
досліджувані діоди;
джерело живлення ДЕПЖ-1.
У використовуваних приладах діють напругидо 220 В змінного струму до 80 В постійного, з цього виходить, що під часвиконання експерименту найбільш небезпечним фактором була електрична напруга.
Перед початком роботи я завждипереконувалась в наявності заземлення на кожному приладі, відсутностіпошкодження ізоляції кабелів живлення, комутаційних провідників і тільки післяцього вмикала лабораторну установку.
Процес проведення експериментальних робітна даній установці завжди супроводжувався присутністю поряд зі мною або могодипломного керівника (Кулинич А.Г.), або завідуючої лабораторіями кафедри ТЕМ(Северіна Л.М.), або студентів-дипломників (Павлюченко С.В. та Чулісовой А.В.).Це робилося задля того, щоб у разі виникнення неполадок у приладах, мені моглиоказати необхідну допомогу.
Під час роботи з установкою не було ніякихускладнень. Прилади працювали відмінно та не встановлювали додаткових проблем.
Після закінчення роботи вимикала всіприлади з мережі живлення, доповідала керівнику про виявлені в ході роботинедоліки та прибирала робоче місце.
Для опрацювання даних мною була задіянаЕОМ.
До включення використовуваного на робочомумісці устаткування (ЕОМ) я:
— оглянула і упорядкувала робоче місце,забрала з робочого місця всі сторонні предмети;
— перевірила правильність установки столу,стільця, з метою виключення незручних поз і тривалих напруг тіла. Дисплей знаходивсяна відстані не менш 50 см. від очей, площина його екрана була розташованаперпендикулярна напрямкові погляду і центр екрана на рівні моїх очей;
— перевірила правильність і надійністьзаземлення устаткування;
— перевірила правильність розташуванняустаткування (кабелі електроживлення ЕОМ і іншого устаткування, знаходилися зтильної сторони робочого місця;
— переконалась у відсутності відображень івідблисків на екрані монітора. Переконалась, що освітленість документів достатнядля чіткого розрізнення їхнього змісту;
— переконалась у відсутності пилу на екранімонітора, захисному фільтрі і клавіатурі, при необхідності, протерти їхспеціальною серветкою.
Включила устаткування робочого місця впослідовності, встановленої інструкціями з експлуатації на устаткування зурахуванням характеру виконуваних на робочому місці робіт.
Після включення устаткування і запускувикористовуваної програми я:
— переконалась у відсутності тремтіння імерехтіння зображення на екрані монітора;
— встановила яскравість, контрастність,колір і розмір символів для екрана, що забезпечують найбільш комфортне і чіткесприйняття зображення.
Під час роботи я:
— протягом роботи тримала у порядку ічистоті робоче місце;
— не закривала вентиляційні отвори ЕОМ;
— при необхідності тимчасового припиненняроботи коректно закривала всі активні задачі;
— дотримувалась правила експлуатаціїустаткування;
— дотримувалась встановлені режимомробочого часу регламентовані перерви в роботі і виконувала рекомендованіфізичні вправи (тривалість безперервної роботи з ЕОМ не перевищувала 2 годин);
— не доторкалась до задньої панелісистемного блоку при включеному ЕОМ;
— не допускала попадання вологи на поверхніпристроїв;
— не працювала зі знятими кожухамиустаткування, що є джерелами лазерного й ультрафіолетового випромінювання.
По закінченні роботи я:
— робила закриття усіх виконуваних на ЕОМзадач;
— відключала живлення в послідовності,встановленої інструкціями з експлуатації на устаткування;
— забирала зі столу робочі матеріали йупорядковувала робоче місце.
Під час виконання експерименту ніякихпорушень помічено не було і я дотримувалась всіх вимог по техніці безпеки,цьому допомогли знання, які отримала на лекціях з охорони праці та БЖД.
Висновки
В ході підготовки курсової роботи булавивчена фізика перехідних процесів у напівпровідниковому діоді.
Був детально вивчений механізм вимірузаряду перемикання.
Порівняння отриманих результатів зрезультатами досліджень, що проводились в лабораторії раніше, свідчать пророзумність одержаних результатів і можливість проведення подальших досліджень.
Перелік посилань
1. Под ред. Горюнова Н.Н., Носова Ю.Р.Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерения. –М.: Советское радио, 1968.– 303 с., ил.
2. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов.–М.: Советское радио, 1969. – 591 с., ил.
3. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковымприборам. –К.: Техника, 1980. – 464 с., ил.
4. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д.Полупроводниковые приборы. –М.: Высшая школа, 1973. –398 с., ил.
5. Диоды полупроводниковые. Методы измеренияэлектрических параметров (ГОСТ 18986.6 – методы измерения зарядавосстановления). – М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1983. –119с.
6. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. –М.: Энергия,1973. ‑656 с., ил.
7. Гусятинер М.С., Горбачев А.И. Полупроводниковые сверхвысокочастотныедиоды.- М.: Радио и связь, 1983.-224 с.
8. Моряков О.С. Вакуумно – термические процессы в полупроводниковомпроизводстве. -М.: Высш.школа, 1980.-181с., ил.
9. Смит Р. Полупроводники. –М.: Мир -1982. 358 с., ил.
10. Григорьев Б.И., Тогатов В.В. Определение временижизни неосновных носителей заряда в широкой базе тиристора. –М.: Элетроннаятехника, 1974. -180с.
11. http://dssp.petrsu.ru/book/chapter4/part1.shtml — Твердотельнаяэлектроника. Полупроводниковые диоды.
12. http://www.ispu.ru/library/lessons/Egorov/HTML/Section23.html- Физика твердого тела. Физические явления в p-n переходе.