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Microsoft PowerPoint - 第6回半導体工学

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(1)

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

(2)

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

(3)

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

(4)

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。

(5)

様々なフォトダイオード

pn pin

(6)

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。

(7)

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

(8)

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

(9)

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?

(10)

T

k

E

E

c

B f C

e

N

n

T k E E v B V f

e

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

(11)

pn接合ダイオードの特性について

(12)

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

(13)

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

(14)

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

(15)

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

(16)

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

(17)

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 

(18)

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

(19)

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

(20)

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。

(21)

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

(22)

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]

(23)

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 p

exp

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

(24)

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:eV

(25)

Al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

(26)

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

(27)

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

(28)

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

(29)

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

(30)

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

(31)

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

(32)

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

(33)

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

電圧は空乏層に加 わる。

(34)

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)

(35)

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)

(36)

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。

(37)

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

(38)

電界分布の導出 EC EEVF エネルギー x=0 x=-xn x=xp x NDx 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

(39)

電界分布の導出 x<0では n D D

x

qN

x

qN

x

F

(

)

>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

(40)

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=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

(41)

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 A

x

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

(42)

Q ND=1018cm-3n型シリコンとN A=1015cm-3p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×xnNA×xp より

(43)

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 A

x

qN

x

qN

n D D x qN x qN

xp 0 -xn 電界 電圧基準 n型 p型

(44)

x<0 x>0 2 2

2

2

n D n D D

x

qN

x

x

qN

x

qN

NDNA -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 2

2

2

n D p A A

x

qN

x

x

qN

x

qN

(45)

電圧Vを印加したときの空乏層幅 空乏層xD=|xn|+|xpX=0で連続 → NAxp=NDxn (x=-xn)-(x=x)=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

(46)

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

(47)

解答 空乏層xD=|xn|+|xp|なので X=0で連続 → NAxp=NDxn 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  ( ApDn )  D  2 ) ( ) ( 2 2   

V

V

N

N

q

x

D D A D





2

1

1

(48)

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

(49)

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

(50)

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|

(51)

pn接合への電圧の印加



E

p A A

x

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

(52)

x<0 x>0 2 2

2

2

n D n D D

x

qN

x

x

qN

x

qN

NDNA -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 2

2

2

n D p A A

x

qN

x

x

qN

x

qN

(53)

電圧Vを印加したときの空乏層幅 空乏層xD=|xn|+|xpX=0で連続 → NAxp=NDxn (x=-xn)-(x=x)=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

(54)

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

(55)

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。

(56)

(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

(57)

(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

(58)

(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 A

N

q

1

2

傾き 解答

(59)

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 qVD

Confirm 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

(60)

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 EgkBT ln[NCNV ]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

(61)

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 D

n

N

N

q

T

k

V

Depletion layer width

Depletion capacitance Built in potential

(62)

8.1 pn junction current Forward bias V Froward current Reverse current Reverse bias VR>>VF VF VR Anode Cathode + ー Forward bias

(63)

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

(64)

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 bias

(65)

8.1 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

(66)

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 type

(67)

8.1 pn junction current Diffusion current

n

qD

j

Diffusion constant D ECp EVp q・VD Efn ECn Efp Energy

x q・V(x) EVn

(68)

8.1 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

(69)

8.1 pn junction current Diffusion current

n layer p layer Built in electric field Fixed negatively

(70)

8.1 pn junction current Drift current p layer n layer ECp EV q・VD Efn ECn Efp Energy

q・V(x) Electric field E=qneEe: electron mobility [m2/V・s]

vF=E :drift velocity current density j=charge × conc. × velocity

(71)

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) E

High conc. Low conc.

Diffusion current Drift current

(72)

8.1 pn junction current Diffusion current and drift current At zero bias,

(

)

0

E

x

qn

x

n

qD

e

e

 

)

exp(

)

(

0

T

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

(73)

8.1 pn junction current When bias is applied, p layer n layer EC EV qV V:Applied bias

(74)

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.

(75)

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 p

(76)

8.1 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 e

n

x

n

D

2 2 p layer n layer

(77)

8.1 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=np0

Le: Diffusion length of electrons in p layer

n e

e

D

(78)

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 e

L

x

n

L

qD

x

n

qD

j

(

0

)

exp

(79)

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

(80)

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

B

Considering the direction of current, } { 0 0 0 n h h p e e p L qD n L qD j              

(81)

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 2

s

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

(82)

n=1

n=2

(83)

Series resistance n-Si p-Si Electrode metal Electrode metal Contact resistance Series resistance Series resistance Contact resistance

(84)

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

参照

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