2017年11月13日(月) 1限 8:45~10:15 IB015
天野 浩
第6回 半導体工学
項目
pn接合ダイオードとショットキーバリアダイオードとの違い
pn接合ダイオードとショットキーバリアダイオードとの違い
http://lazyecology.web.fc2.com/reverb/special/choi_lab/1_diode.html
pn接合ダイオード ショットキーバリアダイオード
Fast Recovery Diode
Fast Recovery Diode のリカバリー特性
http://www.semicon.toshiba.co.jp/download/docs_pdf
①SBD、FRDの構造を調べま しょう。
②何故FRDが高速動作可能 か、原理を調べましょう。
様々なフォトダイオード
pn pin
異なる材料のダイオードの例 SiC SBD
SiC SBDが何故期待されているか、何 処に利用されようとしているか調べましょ う。
ツェナーダイオードとアバランシェダイオード
Avalanche breakdown
Zener breakdown tunneling
ツェナーダイオードとアバランシェダイオード
+25℃⇒+125℃のVz変化
Motorola 1N2804 Zener diode
トンネル電流
ΔVz
エサキダイオード
pn接合ダイオードの順方向小電流領域を利用した高周波ダイオード
HW:どのように作ると、このようなバンドラインナップになるか?
T
k
E
E
c
B f Ce
N
n
T k E E v B V fe
N
p
m
E
3
伝導帯電子密度 価電子帯正孔密度 フェルミエネルギー ~バンドギャップのほぼ中央 不純物や欠陥のない 真性半導体の場合 n=p=ni n型 p型 の半導体 T k E E N n B f C C n exp T k E E N p B V f V p exp n:自由電子密度 p:自由正孔密度 NC:伝導帯実効状態密度 EC:伝導帯下端のエネルギー Efn:n型半導体のフェルミエネルギー NV:価電子帯実効状態密度 EV:価電子帯上端のエネルギー Efp:p型半導体のフェルミエネルギー Siの場合,室温(T=300K)ではpn接合ダイオードの特性について
Si pn接合ダイオードの電流(I) -電圧(V)特性 電圧 [V] 電流 [A] 0.7V 20mA 10mA 0V 電流の立ち上がり電圧
0 V1 1K R1 D1 8.20n IVm1 振幅:5V Si pn接合ダイオード オシロスコープ Circuit1-Transient-6-Graph Time (s)
0.0 200.00u 400.00u 600.00u 800.00u 1.00m 1.20m 1.40m 1.60m 1.80m
-5.00 -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.0 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00
TIME -1.000 v(IVm1) -1.000 v(IVm2) -1.000 D(TIME) -1.000 D(v(IVm2)) -1.002
Q:下記の回路でSi pn接合ダイオード間の電圧をオシロスコープでモニタしたときの波形を
図示しなさい。
Circuit1-Transient-4-Graph Time (s)
0.0 200.00u 400.00u 600.00u 800.00u 1.00m 1.20m 1.40m 1.60m 1.80m
(V) 0.0 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 時間 +5V 時間 オシロスコープ
赤色発光ダイオードの電流-電圧特性 (I-V特性)
2.0V
立ち上がり電圧 発光ピーク波長=630 nm
緑色発光ダイオードのI-V特性
2.5V
立ち上がり電圧 発光ピーク波長=520 nm
青色発光ダイオードのI-V特性
2.8V
立ち上がり電圧 発光ピーク波長=450 nm
Q:発光ダイオード(Light Emitting Diode : LED)の発光色と立ち上がり電圧には,どのよう な関係があるか? 立ち上がり電圧 [V] 光子エネルギー [eV] 赤色LED 2.0 1.97 緑色LED 2.5 2.39 青色LED 2.8 2.76 ] m [ ] s / m [ . ] s J [ . c h h 10 630 10 0 3 10 626 6 9 8 34 赤色の場合 ] C [ 10 602 . 1 -q ] s / m [ 10 998 . 2 c ] s J [ 10 626 . 6 h 19 8 34 電子の素電荷 光速 プランク定数
なぜ,逆方向に流れないのか? なぜ,立ち上がり電圧が存在するか? -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0 50.0m 100.0m 150.0m 200.0m Cur rent [ A ] Voltage [V] 立ち上がり電圧 逆方向 順方向
p型半導体とn型半導体の接合 仮想的に接合した瞬間の粒子の流れ p型半導体
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
n型半導体+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
正孔p型半導体とn型半導体の接合 p型半導体
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
n型半導体+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
界面に固定電荷層が形成される。 ⇒電子や正孔は拡散できなくなる。 ⇒キャリアがないので,空乏層と呼ばれる。p型半導体とn型半導体の接合 界面で原子の結合がしっかり できるように接着すること。 接合とは? 接合の基本 → 双方のフェルミエネルギーが一致する。 n型半導体 Efn p型半導体 Efp 伝導帯 価電子帯 EC EV
Q:下の表は,室温T=300[K]におけるSiのNC,NV,Egおよびniをまとめている。Alを 1015,1016,1017,1018[cm-3]ドープしたSi,およびPを1015,1016,1017,1018[cm-3]ドープしたSiにつ いて,それぞれのSiにおけるフェルミエネルギーEfを求め,それぞれのSiにおけるEC,EV,Efの 関係の概略を描きなさい。 伝導帯実効状態密度NC[cm-3] 2.86×1019 価電子帯実効状態密度NV[cm-3] 2.66×1019 バンドギャップエネルギーEg[eV] 1.12 真性キャリア密度ni[cm-3] 9.65×109 kB=1.38×10-23[J/K] q=-1.602×10-19[C]
n型 p型 半導体のフェルミエネルギー 再確認 T k E E N n B f C C n exp
T
k
E
E
N
p
B V f V pexp
Siの場合,室温(T=300K)では n型:n=ND p型:p=NA n:自由電子密度 p:自由正孔密度 NC:伝導帯実効状態密度 EC:伝導帯下端のエネルギー Efn:n型半導体のフェルミエネルギー NV:価電子帯実効状態密度 EV:価電子帯上端のエネルギー Efp:p型半導体のフェルミエネルギー解答 伝導帯実効状態密度NC[cm-3] 2.86×1019 価電子帯実効状態密度NV[cm-3] 2.66×1019 バンドギャップエネルギーEg[eV] 1.12 真性キャリア密度ni[cm-3] 9.65×109
Al(p型Si)
P(n型Si)
10
15[cm
-3]
E
V+0.263
E
C-0.265
10
16[cm
-3]
E
V+0.204
E
C-0.206
10
17[cm
-3]
E
V+0.144
E
C-0.146
10
18[cm
-3]
E
V+0.085
E
C-0.087
単位:eVAlドープの場合 p-Si Efp EC EV 0.263eV10 15[cm-3] 1018[cm-3] 0.085eV Pドープの場合 p-Si Efn EC EV 0.265eV 1015[cm-3] 1018[cm-3] 0.087eV Eg=1.12[eV] 解答
p型半導体とn型半導体の接合 接合の基本 → 双方のフェルミエネルギーが一致する。 n型半導体 Efn p型半導体 Efp 伝導帯 価電子帯 EC EV 不純物濃度によって決まる
p型半導体とn型半導体の接合 p型半導体
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
n型半導体+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
電子 正孔n型半導体 Efn p型半導体 Efp p型半導体とn型半導体の接合 n型界面にプラスの電荷層 p型界面にマイナスの電荷層 接合させる
接合後のpn接合エネルギーバンドラインナップ フェルミ エネル E ドナー準位E 真空準位←要注意! 空乏層 エネルギー qVD (拡散電位 VD) ECp EVp アクセプタ準位EA 電子親和力 - - --- - ++++++ - 正にイオン化したドナー ー ー ++ ECn
pn接合への逆電圧の印加 空乏層が拡がり,電流は流れない。 p型半導体 n型半導体
+
ー
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
ー
+
pn接合への逆電圧の印加(電圧印加前) n型半導体 p型半導体 伝導帯下端EC 価電子帯上端EV - ------- ++++++ - - - キャリア多数→低抵抗 キャリア多数→低抵抗 界面付近の抵抗が非常に高い
電圧は殆ど抵抗の高い 空乏層に加わる。
pn接合への逆電圧の印加(電圧印加後)
n型半導体
pn接合への順電圧の印加 n型半導体 p型半導体 伝導帯下端EC 価電子帯上端EV - ------- ++++++ - -- -- --- -- - - - + + + + ++ + +++++ p型半導体 n型半導体
ー
+
電圧は空乏層に加 わる。n型半導体 p型半導体 EC EV pn接合の解析 電気磁気学を用いて解析する。 ⇒基本はMaxwell方程式 EF D t B E t D J H
エネルギー (は電荷)EC EV pn接合の解析 EF B E t D J H エネルギー この中で使うのは,
D
及び
E
D
のみは電位)EC EV pn接合の解析 EF エネルギー 半導体の誘電率=0r
D
E
E
D
より
2 ポアソン方程式 が,導き出される。EC EV 電荷の分布 EF エネルギー x=0 x=-xn x=xp x ND+ n型半導体 p型半導体 マイナスの固定電荷層
電界分布の導出 EC EEVF エネルギー x=0 x=-xn x=xp x ND+ x NA - 2 より,積分して C x x<0の領域では, x=-xnで電界Eはゼロ D D n D x qN C C x qN E 1 1 0 ) ( x>0の領域では, x=xpで電界Eはゼロ p A qN C x qN E 2 0 低抵抗 ⇒電界ゼロ 低抵抗 ⇒電界ゼロ
電界分布の導出 x<0では n D D
x
qN
x
qN
x
F
(
)
x>0では p A A x qN x qN x F ( ) EC EEVF エネルギー x=-xn x=xp x x ―電界F x=0で電界が一致する ためには? NDxn=NAxp n層とp層の総電荷量は等電圧分布の導出 EC EEVF エネルギー x=-xn x=xp x x 3 2 2 1 C x x qN x qN n D D 電位の基準は,どこに とってもよいのでx=-xnで =0とすると, 2 3 2 n D x qN C n型 p型 4 2
2
x
x
C
qN
x
qN
p A A
x=0で,電位が連続 C =C X<0において 2 2 2 1 2 1 n D n D D x qN x x qN x qN 従って X>0において拡散電位 VD 2 2 2 2 n D n D D x qN x x qN x qN 2 2 2 2 n D p A A x qN x x qN x qN x<0 (n型) x>0 (p型) 拡散電位VDは, VD=0-(xp)=
)
(
2
2 2 n D p Ax
N
x
N
q
EC EV EF エネルギー x=-xn x=xp n型 p型 電位 電位(電圧)とエネルギーはQ ND=1018cm-3のn型シリコンとN A=1015cm-3のp型シリコンによるpn接 合型ダイオードにおいて,空乏層幅は,どちらの方が,どれだけ長い か。 p層側の方が,1,000倍長い。 ND×xn=NA×xp より
x=0で連続 → N
A・
x
p=N
D・
x
n pn接合への電圧の印加
F
p A Ax
qN
x
qN
n D D x qN x qN
xp 0 -xn 電界 電圧基準 n型 p型x<0 x>0 2 2
2
2
n D n D Dx
qN
x
x
qN
x
qN
ND+ NA -空間電荷 x=0 x=xp x=-xn 電圧基準 x 拡散電位 VD ) ( 2 1 2 2 n D p A D N x N x q V
pn接合 印加電圧ゼロのとき 2 22
2
n D p A Ax
qN
x
x
qN
x
qN
電圧Vを印加したときの空乏層幅 空乏層xD=|xn|+|xp| X=0で連続 → NA・xp=ND・xn (x=-xn)-(x=xp)=VD-V これらを用いると ) ( 2 V V N N N qN x D A D A D n 2 ( ) V V N N N qN x D D A D A p
V
V
N
N
q
x
D D A D
2
1
1
Q:下記の空乏層幅の式を導出しなさい。
V
V
N
N
q
x
D D A D
2
1
1
解答 空乏層xD=|xn|+|xp|なので X=0で連続 → NA・xp=ND・xn これらを用いると ) ( 2 V V N N N qN x D A D A D n 2 (V V) N N N qN x D D A D A p V V x N x N q x x x x n p ( A p D n ) D 2 ) ( ) ( 2 2
V
V
N
N
q
x
D D A D
2
1
1
Q:下のバンドダイヤグラムにおいて,順方向電圧V および逆方向電圧-Vを加えたとき,バン ドダイヤグラムがどうなるか,概略を描きなさい。 EC EV x=-xn x=xp n型 p型 エネルギー
|
q×V
D|
EF解答 q×(VD-V) EC EV x=-xn x=xp n型 p型 エネルギー EF 順バイアスV を加えたとき q×V
解答
q×(V
D+V)
EC EV x=xp p型 x=-xn n型 エネルギー EF 逆バイアス -V を加えたとき q×|V|pn接合への電圧の印加
E
p A Ax
qN
x
qN
n D D x qN x qN
xp 0 -xn 電界 電圧基準 (どこでもよい) n型 p型x<0 x>0 2 2
2
2
n D n D Dx
qN
x
x
qN
x
qN
ND+ NA -空間電荷 x=0 x=xp x=-xn 電圧基準 x 拡散電位 VD ) ( 2 1 2 2 n D p A D N x N x q V
pn接合 印加電圧ゼロのとき 2 22
2
n D p A Ax
qN
x
x
qN
x
qN
電圧Vを印加したときの空乏層幅 空乏層xD=|xn|+|xp| X=0で連続 → NA・xp=ND・xn (x=-xn)-(x=xp)=VD-V これらを用いると ) ( 2 V V N N N qN x D A D A D n 2 ( ) V V N N N qN x D D A D A p
V
V
N
N
q
x
D D A D
2
1
1
pn接合の単位面積あたりの接合容量C D p n
x
x
x
S
d
S
C
(
1
)
よりV
V
N
N
N
N
q
C
D D A D A
1
2
となる。
V V
N N q x D D A D 2 1 1 空乏層以外は低抵抗=金属電極と同じQ シリコンのpn接合に関する以下の問題に答えなさい。 (1)p型におけるアクセプタ濃度NAが,n型におけるドナー濃度NDに比 べて無視できるくらい少ないとする。空乏層は主にどちらの層に存 在するか? (2)(1)の場合において,接合容量の近似式を求めなさい。 (3)pn接合に加える電圧Vと接合容量Cとの関係を測定すると,NAおよ び拡散電位VDが求まることを説明しなさい。
(1)p型におけるアクセプタ濃度NAが,n型におけるドナー濃度 NDに比べて無視できるくらい少ないとする。空乏層は主にど ちらの層に存在するか? 解答 ) ( 2 ) ( 2 V V N N qN V V N N N qN x D D A D D A D A D n
)
(
2
)
(
2
V
V
qN
V
V
N
N
N
qN
x
D A D D A D A p
NA<<ND 空乏層は不純物濃度の少ない方 →p層(2)(1)の場合において,接合容量の近似式を求めなさい。
V
V
N
q
V
V
N
N
N
N
q
C
D A D D A D A
1
2
1
2
解答(3)pn接合に加える電圧Vと接合容量Cとの関係を測定すると, NAおよび拡散電位VDが求まることを説明しなさい。 V V N q C D A 1 2 を変形して 12 2 1 (V V) N q C A D 2
1
C
V VD AN
q
1
2
傾き 解答8.0 Introduction Built in potential at zero bias
)
exp(
)
exp(
T
k
E
E
N
p
T
k
E
E
N
n
B fp p V V B fn n C C
p type n type ECp EVn Efp Efn qVDConfirm the following equation. Eg=EC-EV=qVD+(ECn-Efn)+(Efp –EVp)
C B n C fn p T k E E N n T k E E ln ln Eg ECn EVp
8.0 Introduction Built in potential at zero bias ) ln( 2 i A D B D n N N q T k V
Eg=EC-EV=qVD+(ECn-Efn)+(Efp–EVp)
) exp( ) exp( T k E E N p T k E E N n B fp p V V B fn n C C T k E V C i B g e N N n 2
Q: Derive the following eq.
V C A D B D V A B C D B D N N N N T k qV N N T k N N T k qV Eg ln ln ln T k E N N n B g V C i] ln[ ] ln[ 2 Eg kBT ln[NC NV ]2kBT ln[ni] ] ln[ ] ln[ ] ln[ 2 ] ln[ C V B i D B D A B C V BT N N k T n qV k T N N k T N N k N N T k
8.0 Introduction
V V
N N q x D D A D 2 1 1 V V N N N N q C D D A D A 1 2
]
ln[
2 i A D B Dn
N
N
q
T
k
V
Depletion layer width
Depletion capacitance Built in potential
8.1 pn junction current Forward bias V Froward current Reverse current Reverse bias VR>>VF VF VR Anode Cathode + ー Forward bias
8.1 pn junction current n型 - - - - - - - - --- - - - - - + + + + + + + +++++ p型 Depletion region EC EV qVD EF Energy VD: Diffusion voltage or Built in potential Voltage or potential
8.1 pn junction current Diffusion current ECp ) exp( 0 T k E E N n B n f Cn C n n type p type Depletion layer EV Efp ECn Efn At zero bias Efn=Efp=Ef ) exp( 0 T k E E N n B p f Cp C p Energy
=
qVD ECn-ECp=-q・VD At zero bias8.1 pn junction current Diffusion current T k V q n T k E E T k E E N T k E E N n B D n B Cp Cn B f Cn C B f Cp C p exp exp exp ) exp( 0 0 q×(-VD) ) exp( 0 T k E E N n B n f Cn C n
Electron conc. In n layer
) exp( 0 T k E E N n B p f Cp C p
Electron conc. In p layer
8.1 pn junction current Diffusion current n type ECp EV q・VD Efn ECn Efp Energy
=
x q・V(x) V(xn)=-VD Assuming V(x)=0 ) exp( ) ( 0 T k x V q n x n B n p type8.1 pn junction current Diffusion current
n
qD
j
Diffusion constant D ECp EVp q・VD Efn ECn Efp Energy=
x q・V(x) EVn8.1 pn junction current Diffusion current n型 ECp EVp q・VD Efn ECn Efp Energy
=
x q・V(x)High conc. Low conc.
Electron diffusion
Current
8.1 pn junction current Diffusion current
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
n layer p layer Built in electric field Fixed negatively8.1 pn junction current Drift current p layer n layer ECp EV q・VD Efn ECn Efp Energy
=
q・V(x) Electric field E j=qneE e: electron mobility [m2/V・s]vF=E :drift velocity current density j=charge × conc. × velocity
8.1 pn junction current Diffusion current and drift current p layer n layer ECp EV q・VD Efn ECn Efp Energy
=
x q・V(x) EHigh conc. Low conc.
Diffusion current Drift current
8.1 pn junction current Diffusion current and drift current At zero bias,
(
)
0
E
x
qn
x
n
qD
e
e
)
exp(
)
(
0T
k
x
V
q
n
x
n
B n
T
k
qD
B e e
Q: Derive the following Einstein eq.
F
qn
x
n
qD
j
e e
e
8.1 pn junction current When bias is applied, p layer n layer EC EV qV V:Applied bias
8.1 pn junction current Diffusion current by the excess carrier
Electrons injectedfrom n layer to p layer
Electrons in p layer p type n type EC EV qV Forward voltage
Electric field in p layer is ignored. → Drift current = 0 Only diffusion current should be considered.
8.1 pn junction current Diffusion current by the excess carrier p layer n layer Depletion EC EV qV x=0 np np0
}
1
)
{exp(
)
0
(
0
T
k
qV
n
x
n
B p p8.1 pn junction current Diffusion current by the excess carrier EC EV qV x=0 np0 x 2 2 x n D x n D x n D e p x p e dx x p e
dx Life time of electron in p-layer : n n p p p e
n
n
x
n
D
0 2 2
n p p en
x
n
D
2 2 p layer n layer8.1 pn junction current Diffusion current by the excess carrier ) exp( ) 0 ( ) exp( ) 0 ( ) exp( } 1 ) {exp( ) ( 0 e p p B p p L x n n e D x n n e D x T k qV n x n n p p e n x n D
2 2 At x→∞, np=np0Le: Diffusion length of electrons in p layer
n e
e
D
8.1 pn junction current Diffusion current by the excess carrier p layer n layer EC EV qV x=0 np np0
Electron current density je by diffusion is
e p e e p e eL
x
n
L
qD
x
n
qD
j
(
0
)
exp
8.1 pn junction current Diffusion current by the excess carrier p layer n layer EC EV qV x=0 Recombination
Injected electron recombine with holes in the p layer. →Holes are supplied from the electrode.
+ electrode -electrode (0) 0 exp 1 T k qV n L qD n L qD j j jn e h e p e p
8.1 pn junction current Diffusion current by the excess carrier (0) 0 exp 1 T k qV p L qD p L qD j B n h h n h h p Holes in n layer
Total current density is
{ 0 0} exp( ) 1 T k qV p L qD n L qD j j j B n h h p e e p n
}
1
)
{exp(
0
T
k
qV
j
j
BConsidering the direction of current, } { 0 0 0 n h h p e e p L qD n L qD j
8.1 pn junction current Diffusion current by the excess carrier { 0 0} exp( ) 1 T k qV p L qD n L qD j B n h h p e e { } exp( ) 1 2 2 T k qV N n L qD N n L qD j B D i h h A i e e } { 2 2 0 D i h h A i e e N n L qD N n L qD j
]
/
[
5
.
28
]
/
[
06
.
9
2 2s
cm
D
s
cm
D
e h
]
[
4
.
53
]
[
1
.
30
m
L
m
L
e h
Q: Determine j0[A/cm2] in the following case.
] [ 10 31 . 9 ] [ 10 31 . 9 3 2 2 0 3 3 2 0 cm N n n cm N n p A i p D i n
n=1
n=2
Series resistance n-Si p-Si Electrode metal Electrode metal Contact resistance Series resistance Series resistance Contact resistance
10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 電流 [A] 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 電流[ A ] 0.0 0.5 1.0 1.5 10-3 10-2 10-1 100 Curr ent[A] Voltage [V] } 1 ) ( { 0 T k qV Exp I I B V=R×I Series resistance