שימוש ב- Depletion Zone Calculations כדי לשפר את דיוייד ואת עיצובי Transistor

חישובים אזוריים של Depletion מייצגים את אחד ההיבטים הקריטיים ביותר של הנדסה מכשיר המוליכים למחצה המודרנית.הבנת אזור המחיקה הוא מפתח להסביר אלקטרוניקה מוליכים למחצה מודרניים: דיודות, transistors bi קוטבי, transistors-אפקט שדה, ו-Facitance diodes משתנה כל להסתמך על תופעות אזורי depletion. עבור מהנדסים עובדים אופטימיזציה ביצועים, להפחית את צריכת החשמל, ולשפר את האמינות באמינות בתקני אלקטרונית, ניתוח מתמטי חיוני זה הוא לחקור את המוליכים למחצה.

הפיזיקה הבסיסית של אזורי הדה-פלציה

מהו אזור דפלציה?

בפיסיקה למחצה, אזור המחיקה, הנקרא גם שכבת מחיקה, אזור צומת, אזור המטען שטח, אזור מטען חלל, או שכבת מטען חלל, הוא אזור מבודד בתוך חומר מוליכים למחצה, doped למחצה מוליכים למחצה שבו נושאת המטען הנייד diffuse, או כבר נאלץ הרחק על ידי שדה חשמל.

רוחב אזור המחיקה מתאר את האזור סביב הצומת p-n שבו נשאי מטען ניידים (אלקטרונים וחורים) נסחף, משאיר מאחור אזור של בצלים קבועים.אזור זה יוצר באופן מיידי כאשר p-type ו- n-type Semiconductors מובאים ליצירת צומת שהוא בסיסי לכל המכשירים המוליכים למחצה.

הקמת מכניזם של אזור הדה-הדין

היווצרות של אזור הדה-פלציה כוללת משחק מורכב של תהליכי דיפוזיה וסחף.כאשר N-doped ו- P-doped Semiconductors ממוקמים יחד כדי ליצור צומת, אלקטרונים חופשיים בלהקת המוליכים N-side נודדים (diffuse) לתוך להקת ה- P-side, וחורים ב- P-side valence נודדים לתוך valence N-side.

כאשר האלקטרונים והחורים נעים לצד השני של הצומת, הם משאירים מאחור האשמות חשופים באתרי אטום דונט, אשר נקבעים בלחיצת קריסטל ואינם מסוגלים לנוע. בצד n-type, ליבות יון חיוביות נחשפים. בצד p-type, ליבות יון שליליות חשופים.

אזור המחיקה הואשם; בצד N של זה הוא טעון חיובי ואת הצד של זה הוא טעון שלילי.זה יוצר שדה חשמלי המספק כוח נגד הפיזור המטען. כאשר השדה החשמלי חזק מספיק כדי להפסיק דיפוזיה נוספת של חורים ואלקטרונים, אזור הדהור מגיע לאיזון.

בנוי-בפוטנציאל ו Equilibrium

הגדלת השדה החשמלי באזור המחיקה קובע מה שמכונה "מתח מובנה" (נקרא גם מתח צומת או מתח מחסום או פוטנציאל מגע) פוטנציאל מובנה זה הוא פרמטר קריטי בחישובי אזור המחיקה משתנה בהתאם לחומר המוליכים למחצה וקביעת ריכוזים.

בדרך כלל בטמפרטורת החדר המתח על פני שכבת המחיקה עבור סיליקון הוא בערך 0.6 - 0.7 וולט ו עבור גרמניה הוא בערך 0.3 - 0.35 וולט. מחסום פוטנציאלי זה קיים גם ללא כל מתח חיצוני החל ההתקן ומייצג את מצב שיווי המשקל של הצומת.

בתחילה, זרם הדיפוזיה בצומת p-n גדול בעוד זרם הסחף קטן.כפי שיפוע התקדמות, כוח השדה החשמלי בתוך הצומת עולה, אשר בתורו מעצימה את זרם הסחף.תהליך זה נמשך עד שהאיזונים הנוכחיים של דיפוזיה יוצאים עם זרם הסחף. בנקודה זו, הצומת מגיע איזון, ולא זרם זרם דרך הצומת.

מסגרת מתמטית לדהדול Width Calculations

המונחים: Depletion Width Formula

חישוב מדויק של רוחב המחיקה הוא יסוד לתכנון מכשיר למחצה.התוצאה של רוחב המחיקה היא: w ⁇ [2ε0/q × (NA+ND) /(NAND) × (Vbi-V)) ×1/2 שבו V הוא הטיה יישומית.נוסה זו מספקת מהנדסים עם כלי כמותי כדי לחזות כיצד אזור depletion יתנהג בתנאים שונים.

W הוא הרחבה של אזור המחיקה, ⁇ הוא ההיתר החומרי, Vbi הוא השדה בנוי-in על פני הצומת, U הוא ההטיה החיצונית יישומית, q הוא מטען אלקטרוני ו Neff הוא מינון יעיל, מוגדר כמו Neff = ND /(Naf + Nd), שבו Nd ו Na הם המקבלים ו-NUMHAHAING ברמה לאורך כל.

נוסחה זו מאמתת את רוחב אזור המחיקה כתפקוד של ריכוזי ההשגות, את ההיתר של החומר, ואת המתח בנוי-in מעבר לצומת.זה היסוד בהבנה כיצד צומת PN מתנהגים בתנאים חשמליים וסביבתיים שונים.

המונחים: Neutrality Principle

עיקרון בסיסי של חישובים של אזור המחיקה הוא ניטרליות.החיוב הכולל בצד אחד של הצומת חייב להיות אותו הדבר כמו המטען הכולל על השני. במילים אחרות, אם השדה החשמלי מוגבל לאזור המחיקה, אז המטען הנקי באזור II חייב להיות אפס, ומכאן המטען שלילי והחיוב החיובי חייב להיות שווה.

NAxp = NDxn.מערכת יחסים זו מבטיחה כי אזור המחיקה משתרע אחרת לתוך אזורי p-type ו- n-type בהתאם ריכוזי החנק בהתאמה שלהם.האזור משתרע עוד לתוך הצד העודני יותר אור כדי לשמור על איזון המטען.

Aסימטרי Depletion Zone

אזור המחיקה אינו מחולק באופן סימטרי בין אזורי n ו p - הוא נוטה לכיוון הצד הפענוח.סימטריה זו היא שיקול חיוני בעיצוב המכשיר, במיוחד כאשר יצירת צומת עם רמות מינון שונות באופן משמעותי על כל צד.

כאשר צד אחד הוא עשה הרבה יותר כבד מהשני (למשל, NA > > ND), אזור המחיקה משתרע כמעט לחלוטין אל הצד המנוצל. הנכס הזה מנוצל בעיצובים רבים של מכשירים מעשיים כדי לשלוט היכן אזור הדהימות יושב וכיצד הוא מגיב למתחים החלים.

ההשפעה של Doping Concentration על Depletion Width

יחסים מנוגדים עם Doping

רוחב המחיקה עולה עם ירידה בריכוז ההפחתה.מערכת יחסים הפוכה זו היא אחד הפרמטרים החשובים ביותר עיצוב כי מהנדסים מניפולציה כדי להשיג תכונות המכשיר הרצוי.

ההשפעה של doping היא מערכת יחסים הפוכה, שבה הגדלת ריכוז NA או ND תוצאות ברוח של פענוח צר יותר. כאשר יותר אטומי אי-אלימות נוכחים, נפח פיזי קטן יותר צריך להיות מרוקן של ספקים ניידים כדי לחשוף את המטען הקבוע הנדרש כדי לאזן את הפוטנציאל.זה מאפשר צומת מאוד כדי להשיג את שדה שיווי המשקל הדרוש על פני מרחק הרבה יותר קצר.

הסבר פיזי של השפעות

כאשר אתה הופך צומת האלקטרונים המוגזמים ב- n-type הולך להתפוגג לעבר ה-p-type (והפך) אם ריכוז ההשמצה שלך גבוה ההסתברות של אלקטרון להיפגש עם חור יהיה משופר.

רוחב שכבת המחיקה תלויה אורך ההקרנה בחצי המוליכים, אשר בתורו תלוי צפיפות הדונט. ברמות מינון גבוה, שכבת המחיקה היא צר (עשרות של ננומטרים מעבר), בעוד בדחיסות נמוכה doping זה יכול להיות עבה כמו 1 מיקרומטר. טווח רחב זה של רוחבי עיוות אפשריים מאפשר מהנדסים להתאים התקנים עבור יישומים ספציפיים.

השלכות מעשיות עבור עיצוב התקנים

צומת דופדים גבוה משמשים לעתים קרובות ביישומים של מעבר מהיר שבו אזור דפל דק הוא הרצוי. אזור הפעוט הצר יותר בצומת דופדים כבדים להפחית את הצומת קיבול ומאפשר למהירויות מעבר מהירות יותר, מה שהופך את המכשירים האלה אידיאלי עבור יישומים גבוהים.

לעומת זאת, צומת דולק באור עם אזורי מחיקה רחבים יותר מעדיפים יישומים הדורשים מתחים התמוטטות גבוהה. אזור פענוח רחב יותר, מושג באמצעות מינון בהיר יותר, מפיץ את השדה החשמלי הפנימי על פני מרחק גדול יותר.זה מקטין את עוצמת השדה החשמלי השיא בתוך הצומת עבור מתח הפוך.שדה חשמלי גבוה יותר, כלומר חומר המוליכים למחצה יכול לעמוד הרבה יותר הפוך לפני מתח מתמשך, נוצר כדי להתגבר על מתח גבוה יותר, מתוכנן כדי להתגבר על הלחץ.

תלות בשרירים ותנאי Bas

אפקט של Applied Voltage

המתח ה-V החל מספק מנגנון בקרה דינמי, המאפשר לרוחב להיות מותאם בזמן שהמכשיר פועל.התנהגות זו תלויה במתח היא יסודית לתפעול של מכשירים מוליכים למחצה רבים, מ דיודות פשוטות למבנים טרנזירים מורכבים.

הטיה קדימה מתכווץ אותו ומאפשרת זרם; הטיה לאחור מרחיבה אותו וחוסמת את הזרם.כאשר הטיה קדימה מוחלת (מתח חיובי לצד), המתח החיצוני מתנגד לפוטנציאל המובנה, צמצום המחסום הפוטנציאלי האפקטיבי וצמצום אזור הדה-פלציה.זה מאפשר זרם לזרום בקלות רבה יותר מעבר לצומת.

פיתוי

רוחב המתח תלוי של אזור הדהמה נותן עלייה לציפוי תלוי מתח.הניצול של קיבול תלוי מתח זה תלוי מתח הוא העיקרון המבצעי מאחורי דיקול אדרקטור, המשמש באוסוציאטורים מבוקר מתח ותדירות. זה קיבול משתנה באופן הפוך עם השורש של המתח ההפוך, מתן אמצעי של כוונון אלקטרוני בתדירות רדיו.

ניתן לחשב את ה- despletion capacitance מתוך רוחב המחיקה, ואת מערכת היחסים הזו חיונית להבנת ההתנהגות הגבוהה של מכשירים מוליכים למחצה. כמו אזור הדה-החלים מתרחב תחת הטיה הפוכה, ה- capacitance יורדת, המשפיעה על התגובה של המכשיר לסיגנלים משתנים במהירות.

יישומים בעיצוב דיודה ואופטימיזציה

ctification and Current-Voltage Characteristics

אזור המחיקה מאפשר תיקון.המאפיינים הנוכחיים-המורכבים של דידות נובעים ישירות מההתנהגות של אזור הדה-הפלישה בתנאים הטיות קדימה והפוך.

בהטיה קדימה, אזור הדהדול הצר מאפשר למרבית נושאות לחצות את הצומת בקלות יחסית ברגע שהמתח החל עולה על הפוטנציאל המובנה.בכיוון ההטיה לאחור, אזור הדה-ההההרחבה יוצר מחסום רב יותר ויותר לזרימה הנוכחית, וכתוצאה מכך רק זרם דליפה קטן בשל נושאי מיעוט.

ביטול ה-Voltage Optimization

אחד הפרמטרים הקריטיים ביותר בעיצוב דיאוד הוא מתח השבר - המתח הפוך שבו הדיאוד מתחיל לנהל זרם משמעותי. חישובי אזור דפלציה הם חיוניים לחיזוי וקידוד פרמטר זה.

מתח השבר קשור ישירות לשדה החשמלי המקסימלי שניתן להמשיך בתוך אזור המחיקה.על ידי חישוב רוחב המחיקה והפצה של שדה חשמלי וכתוצאה מכך, מהנדסים יכולים לעצב דידות עם מתחים מסוימים. Power diodes שנועדו יישומים בעלי מתח גבוה להשתמש בצומתים דו-פעמיים כדי ליצור אזורי פירוק רחב שיכולים לקיים שדות חשמליים גבוהים ללא התמוטטות.

עקבו אחרי Speed Enhancement

מהירות המעבר של דיאוד מושפע ממספר גורמים, כולל רוחב אזור הדהמה ואת אזורי הצומת המשויך. Narrower depletion, מושג באמצעות מינון כבד יותר, תוצאה של קיבול צומת נמוך ומהירויות מעבר מהירות יותר.

דיודות שטקקי עוברים מהר יותר מאשר דידות p-n כי הם מכשירים הרוב-קרניים ללא עיכוב אחסון של מיעוט-קרייר. עם זאת, אפילו בתוך הקטגוריה של דידות צומת p, בקרה זהירה של פרופילים doping ומאפיינים אזורי depletion יכולים לשפר באופן משמעותי את ביצועי המעבר.

ניכוי נוכחי

זרם הדלפה הפוכה הוא שיקול חשוב ביישומים רבים של דיאוד, במיוחד במעגלים בעלי עוצמה נמוכה ודיוק. אזור הדה-הפעוט ממלא תפקיד מכריע בקביעת רמות הדלפה הנוכחיות.

תהליכי השיקום של הדור באזור המחיקה תורמים לדלפת הזרם.על ידי אופטימיזציה של רוחב המחיקה ושליטה בנחיתות פגומות באזור זה, מהנדסים יכולים למזער דליפות לא רצויה.בנוסף, רוחב אזור המחיקה משפיע על יעילות האיסוף של ספקים שנוצרו תרמיים, אשר גם תורם להדליפה הנוכחית.

Transistor Design and Depletion Zone Engineering

צומת קוטבי Transistors (BJTs)

Transistors (BJTs): שני צומת אחוריים עם אזורי depletion לשלוט בהגברה הנוכחית.צומת הבסיס הוא נטייה קדימה בעוד צומת הקולקטור הבסיסי הוא הפוך הטיה.

ב BJT, אזור הבסיס חייב להיות דק מספיק כי ספקים מוזרקים מן הפולט יכול לחצות אותו להגיע לאזור ניכוי אספנים לפני recombining. Depletion אזור חישובים לעזור מהנדסים לקבוע את רוחב הבסיס האופטימלי ופרופילים לעשות כדי למקסם את הרווח הנוכחי תוך שמירה על מתח התמוטטות נאותה.

רוחב אזור הדלפק הבסיסי חשוב במיוחד משום שהוא משפיע על הפלט של הטרנזיטנסטור ותגובה לתדירות. אזור ניכוי רחב יותר מפחית את קיבולת אך גם מגביר את זמן המעבר עבור ספקים חוצים את האזור הזה. מהנדסים חייבים לאזן את הגורמים המתחרים הללו באמצעות ניתוח קפדני של פירוק אזור.

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFET)

אזור המפלה הוא ממשק חצי-התיכון ומאמת את מוליכות הערוץ המבוססת על מתח השער.In MOSFETs, התנהגות אזור הדהמה שונה במקצת מזה בצומתי p פשוטים, אבל הפיזיקה הבסיסית ושיטות חישוב נותרו רלוונטיות.

אם רוחב המחיקה הופך רחב מספיק, אז אלקטרונים מופיעים בשכבה דקה מאוד בממשק המוליכים למחצה, הנקרא שכבת הסתה כי הם טעונים הפוך על החורים השוררים בחומר P-type. כאשר שכבת העיוות טפסים, רוחב המחיקה מפסיק להתרחב עם עלייה בחיוב שער Q.במקרה זה, נייטרליות מושגת על ידי למשוך יותר אלקטרונים לתוך השכבה, כמו ערוץ זה.

מתח הסף של MOSFET – מתח השער הנדרש כדי ליצור ערוץ העריכת – קשור ישירות לאזור המחיקה שמהווה מתחת לתא תחמוצת השער. על ידי חישוב רוחב המחיקה כתפקוד של מתח השער ו dopingstrate, מהנדסים יכולים לשלוט בדיוק על המתח כדי לעמוד בדרישות המעגל.

השפעות קצרות-Channel ו- Scaling

מאחר שטרנסג'נדרים בקנה מידה לממדיים קטנים יותר, אזורי המחיקה הקשורים למקור וצומת ניקוז יכולים להתחיל אינטראקציה אחד עם השני ועם אזור התעלה.אפקטים הקצרים האלה יכולים להפיג את הביצועים הטרנסיסטורים וחייבים להיות מנוהלים בקפידה באמצעות הנדסה באזור depletion.

חישובים אזוריים של דפלציה עוזרים לחזות כאשר אפקטים קצרים של ערוצים יהפכו משמעותיים.על ידי הבנת כיצד אזורי הדהמה מתפשטים לתוך הערוץ, מהנדסים יכולים לייעל פרופילים, צומת, ומכשירים גיאוגרפיות כדי למזער את ההשפעות הללו ולשמור על תכונות טרנסטור טובות אפילו במימדים קטנים מאוד.

המונחים: high Depletion Zone Calculations

פרופילים לא-Uniform Doping

בעוד שנוסחת רוחב המחיקה הבסיסית מניחה כי מינון אחיד על כל צד של הצומת, מכשירים אמיתיים לעתים קרובות יש פרופילים שאינם חד-ממדיים שנוצרו באמצעות תהליכי דיפוזיה או השתלת יון.מחשבה אזורי הדה במקרים אלה דורשת גישות מתוחכמות יותר.

עבור צומת ציון ליניארי, שבו ריכוז doping משתנה ליניארי עם מיקום, נוסחאות משתנות יש להשתמש. חישובים אלה מורכבים יותר אבל לספק תחזיות מדויקות יותר עבור מכשירים עם פרופילים סימולציה מציאותיים.

טמפרטורה תלות

רוחב המחיקה תלוי בטמפרטורה באמצעות מספר מנגנונים.פוטנציאל המובנה משתנה עם טמפרטורה כי ריכוז המוביל הפנימי הוא מאוד תלוי טמפרטורה.בנוסף, ההיתר של חומר המוליכים למחצה יש תלות טמפרטורה קלה.

k מציין את קבוע של בולצמן, T הוא טמפרטורה, ו ni הוא ריכוז המוביל הפנימי.הפוטנציאל בנוי-in ירידה עם טמפרטורה מוגברת, אשר גורם רוחב המחיקה כדי להפחית גם.

שתי תופעות לוואי ושלושה-אישיות

הנוסחות הסטנדרטיות של רוח המחיקה מניחות צומת חד-ממדי המשתרע ללא אינסוף בכיוונים המאוחרים.עם זאת, למכשירים אמיתיים יש ממדים סופיים, ואזור המחיקה יכול להרחיב בכיוונים רבים, במיוחד ליד הקצוות של צומת.

אפקטים דו-ממדיים הופכים חשובים במכשירים קטנים של גאומטריה ובנקודות קצה. אזור הדה-פלציה נוטה להרחיב עוד בפינות ונקודות, תופעה הידועה בשם "העיוות עגול או פינות".אפקטים אלה יכולים להשפיע על מתח השבר ויש לקחת בחשבון בעיצוב מדויק של המכשיר.

דוגמאות לרישום מעשי והנחיות עיצוב

דוגמה ל- Silicon P-N

סיליקון PN צומת בטמפרטורת החדר (300 K) יש ריכוז מקבל אחיד NA=1016 ס"מ 3 באזור P-type ו ריכוז התורם ND=5×1016 ס"מ 3 באזור N-type. Assume theנבנה-in פוטנציאלי V0 הוא 0.7 V. לחשב את רוחב הפענוח של צומת זה.

באמצעות הנוסחה של רוחב המחיקה עם ההרשאה של סיליקון (R ⁇ 11.7, ε0 = 8.8×10-14 F / ס"מ), החישוב נמשך על ידי קביעת ריכוז מינון יעיל, ולאחר מכן החל את הנוסחה השורשית הריבועית.סוג זה של חישוב הוא יסוד לחיזוי התנהגות והוא מבוצע באופן שגרתי במהלך התהליך.

אסטרטגיות מסחר ואופטימיזציה

עיצוב המכשיר Semiconductor כולל תמיד את הרכישות בין מדדי ביצועים מתחרים. חישובים אזורי Depletion מאירים את ההסכמים המסחריים והאסטרטגיות אופטימיזציה של המדריכים:

• (FLT:0)Breakdown Voltage לעומת החלפה מהירה:03FLT:1 ,Wder depletion Zone (lighter Doping) להגדיל את המתח השבר, אך גם להגדיל את קצב הצומת ולהפחית את מהירות המעבר. מהנדסים חייבים לאזן גורמים אלה בהתבסס על דרישות יישום.
• (FLT:0Current Handling vs. Frequency Response:FLT) 1 מכשירים שנועדו לדרג גבוה בדרך כלל להשתמש בעומס כבד יותר כדי להפחית את התנגדות הסדרה, אבל זה מצמצם את אזור המחיקה ויכול להגביל את הלחץ ואת תגובת התדר.
• (FLT:0Leakage הנוכחי לעומת Capacitance:FLT) 1 הפחתה של דליפות דורש לעתים קרובות אופטימיזציה של רוחב האזור ואת האיכות, אשר יכול להשפיע על קיבולת והחלפת מאפיינים.
• (FLT:0) קיבולת Temperature לעומת ביצועים: OVAFLT:1 מכשירים עם אזורי מחיקה רחב יותר נוטים להיות מאפיינים יציבים יותר על פני טמפרטורה, אבל עלול להקריב כמה מדדי ביצועים בטמפרטורת החדר.

כלי עיצוב ממוחשבים

עיצוב המכשיר של Semiconductor מבוסס רבות על כלים ממוחשבים (CAD) המשלבים חישובים מתוחכמות של אזורי מחיקה.כלים אלה פותרים את משוואות ה- Poisson והמשכיות המשותפות באופן מספר פעמים כדי לחזות התנהגות של מכשירים בתנאים תפעוליים שונים.

טכנולוגיה עיצוב מחשב-Aided (TCAD) תוכנה מאפשרת למהנדסים לדמות את היווצרותם ואת ההתנהגות של אזורי מחיקה במבנים מורכבים עם פרופילים שרירותיים של doping, צומתים מרובים וגיאומטריה ריאליסטית. סימולציות אלה מספקות מידע מפורט על התפלגות שדה חשמלי, ריכוזי נושא, וזרם נוכחי יהיה קשה או בלתי אפשרי לקבל חישובים אנליטיים בלבד.

יישומים מיוחדים של הנדסה של אזור Depletion

תאים סולאריים ופוטטקטורים

תאים סולאריים משתמשים בשדה החשמלי של אזור הדהוט כדי להפריד זוגות אלקטרו-חור אלקטרונים מלוכדים. כאשר פוטון נספג ליד הצומת, השדה גורף אלקטרונים לעבר n-side והחורים לכיוון הצד השני, ומייצר תמונה עכשווית.

עיצוב תא סולארי יעיל כרוך איזון רוחב המחיקה: רחב מספיק כדי לספוג חלק משמעותי של אור הנכנס, אבל לא כל כך רחב כי ספקים recombine לפני נאסף. Depletion Zone מסייע אופטימיזציה של האיזון הזה על ידי חיזוי איך הרוחב משתנה עם תנאי doping וטיה.

ב photodetectors, אזור המחיקה משמש האזור הפעיל שבו פוטונים מומרים אותות חשמליים. אזור מחיקה רחב יותר מגביר את יעילות הקוונטים על ידי מתן נפח גדול יותר עבור ספיגת פוטון, אבל גם מגביר את זמן המעבר עבור ספקים לחצות את האזור. מהנדסים להשתמש חישובים depletion אזור כדי להתאים את responsponsivity ומהירות עבור גלאזני ספציפי ויישומים.

Varactor Diodes ו- Voltage-Controlled מכשירים

Varactor diodes לנצל את הציפוי תלוי מתח שמקורו ברוח המחיקה המשתנה.המכשירים האלה משמשים נרחב בoscillators מבוקר מתח (VCOs), סינתזנטים תדירות ומסננים טוטליים.

מערכת היחסים של varactor נקבעת על ידי איך רוחב המחיקה משתנה עם הטיה הפוכה יישומית. על ידי תכנון בקפידה פרופיל doping, מהנדסים יכולים להתאים את מערכת היחסים הזו כדי להשיג תכונות מסוימות כוונון. Abrupt מספק קיבול כי משתנה כמו V-1/2, בעוד צומת היפראברופטים עם פרופילים ממונדסים במיוחד יכול להשיג וריאציות תלולות עבור טווח משופר.

מכשירים Power Semiconductor

מכשירים כוח כגון דיודות כוח, IGBTs (שער מבודד Transistors), וכוח MOSFET חייב להתמודד עם מתחים גבוהים וזרמים תוך שמירה על מהירויות מעבר מקובלות והפסדים על המדינה.

בהתקני כוח, אזור סחף מוארך משמש בדרך כלל לתמיכה במתחים גבוהים. אזור הדה-הדה משתרע דרך אזור זה סחף תחת הטיה הפוכה, ורוחבו חייב להיות מספיק כדי למנוע התמוטטות במתח הדירוג. חישובים אזוריים להנחות את הבחירה של אזור סחף ועובי כדי להשיג את המתח השבר הרצוי תוך צמצום ההתנגדות של המדינה.

קרינה Detectors

גלאי קרינה Semiconductor מסתמכים על אזור המחיקה כדי לזהות קרינה מייננת.כאשר קרינה עוברת דרך אזור הדה-הפעמה, היא יוצרת זוגות של חור אלקטרונים שסחף על ידי השדה החשמלי, ויוצרים דופק נוכחי בלתי-סביר.

עבור יישומים לגילוי קרינה, אזור מחיקה רחב רצוי בדרך כלל למקסם את נפח הרגיש.זה מושג באמצעות מינון אור יישום של הטיה לאחור אזור חישובים לעזור לקבוע את המתח ההטיה הנדרשת כדי לפענח לחלוטין את נפח הגלאי ולחזות את רזולוציית האנרגיה של הגלאי ויעילות.

שיקולים חומריים באזור הדלפק

סיליקון מול ההרחבה Bandgap Semiconductors

בעוד סיליקון נשאר החומר המוליכים למחצה הדומיננטי, מוליכים למחצה רחבים של להקות כגון סיליקון carbide (SiC) ו-Greium nitride (GaN) חשובים יותר ויותר עבור כוח גבוה יישומים עתירי זמן גבוהה. חישובים אזורי depletion עבור חומרים אלה חייבים לקחת בחשבון עבור תכונות החומר השונות שלהם.

גליום ניטרד (GaN) הוא מוליכים למחצה רחבת ה-Switchgap בשימוש במרקם של דיודות אור לבן יעיל אנרגיה ומכשירים אלקטרוניים כוח. במחקר שפורסם בכתב העת של Applied Physics, החוקרים קבעו את ההשפעה של מקבל עמוק /magnesium (Mg) על הלהקה תוך פיזור של אזור המוליכים למחצה, באופן ספציפי, deperreperre / detransance Zone של חללי (Moderance) היה הפרדה) בנפרד מן החלל ה-indance) אשר היה באופן יסודי, אשר היה על רצועת החלל.

לחומרי להקות רחב יש שדות חשמליים התמוטטות גבוהה יותר, המאפשרים לאזורים סחף ומכשירים קומפקטיים יותר לדירוג מתח מסוים.עם זאת, יש להם גם הרשאות שונות וריכוזים פנימיים, המשפיעים על חישובי רוחב התפוררות גבוהה יותר, כלומר אזור הדהימות יכול לקיים שדה חשמלי גבוה יותר לפני שהתמוטטות של תסרוקת.

עקבו אחרי Semiconductors

מוליכים למחצה מורכבים כגון גירוד arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), ו ⁇ ternary ו quaternary משמשים במכשירים אופטיים ואלקטרוניקה גבוהה קידוד. Depletion האזור חישובים עבור חומרים אלה לעקוב אחר אותם עקרונות בסיסיים כמו סיליקון, אבל עם פרמטרים ספציפיים חומרים.

ההיתר, ה-Sgap, ו- Intrinsic המוביל ריכוז כל להשתנות בין מוליכים למחצה שונים, המשפיעים על הפוטנציאל והרוחב הנבנה.בנוסף, לחלק מהמוליכים למחצה מורכבים יש יותר מבני להקה מורכבים עם מספר רב של מוליכים מינימה או valence Bandmaxa, אשר יכול להשפיע על תחבורה באזור depletion.

שיטות מדידה ואפיון

Capacitance-Voltage פרופ'

מדידות Capacitance-voltage (C-V) מספקות שיטה עוצמתית לקביעת רוחב המחיקה ופרופילי מינון. על ידי מדידה של הצומת כתפקוד של הטיה הפוכה, מהנדסים יכולים לחלץ מידע על אזור הדהימות.

הצומת קיבול הוא יחסית רוחב המחיקה, כך כמו עלייה הטיות הפוכה ואת אזור הדהימות רחב, הציפוי יורד. על ידי ניתוח עקומת C-V, פרופיל ריכוז doping ניתן לקבוע.טכניקה זו משמשת נרחב למעקב ולהתאמה של תהליכים בייצור Semiconductor.

טכניקות אלקטרון באם

EBIC ו- CL מפות יכולות לתת מידע דומה על דיפוזיה של נושאות.ב- הן EBIC והן EBIC, נשאים נוצרים באופן מקומי בתוך נפח האינטראקציה של ה- eam Exצטט.נשאs ואז לעבור עקב ריכוז ⁇ (Diffusion) או פוטנציאל ⁇ (drift) לפני שהם recombine רדיואקטיבית או לא-raatively. באזור עם שדה בנוי, מקסימום של תהליכים EBI הם תואמים את עוצמת ה-reative.

אלקטרון דבורים המושרה הנוכחית (EBIC) וטכניקות קטוולדומונים (CL) מאפשרות לאפיון נפתרה מרחבית של אזורי הדה-פלציה.שיטות אלה יכולות למפות את היקף אזור הדה-הההההה, לזהות פגמים או לא-uniformities שעשויים להשפיע על ביצועי המכשיר.

אלקטרון וולטאז' Contrast

ניגודיות מתח אלקטרוני משני (SEVC) הדמיה בסריקת מיקרוסקופית אלקטרונים יכול לדמיין את אזור המחיקה על ידי זיהוי הבדלים פוטנציאל פני השטח.טכניקה זו היא שימושית במיוחד עבור אפיון מאוחר יותר ומבנים מורכבים של מכשירים שבהם גיאומטריה אזור depletion אינו חד-ממדי.

מלכודות נפוצות ועיסוקים טובים

הימנעות משגיאות קלקלי

Several common errors can compromise the accuracy of depletion region calculations:

• (FLT:0) אי-דיוק: 1.10.10.ריכוזי מינון באים לידי ביטוי לעתים קרובות ב- ס"מ-3, בעוד פרמטרים אחרים עשויים להשתמש ביחידות SI.תשומת לב קפדנית להמרות יחידה חיוני כדי להימנע משגיאות של פקודות רבות של גודל.
• (FLT:0) תחזיות פיתוי:FLT:1 ריכוז המוביל הפנימי ופוטנציאל בנוי - בטמפרטורות תלויות מאוד.קלוציציות שבוצעו בטמפרטורת החדר לא יכול להיות תקף עבור מכשירים הפועלים בטמפרטורות גבוהות או Cryogenic.
• (FLT:0) ביטול ה- Approximation אימות: ⁇ 1:1 נוסחאות רוחב המחיקה הסטנדרטיות מניחים מעבר פתאומי בין האזורים המנופלים והניטראליים.ההה זו מתפרקת עבור צומתים מאוד מאוישים או בטמפרטורות גבוהות מאוד שבו ריכוז המוביל הפנימי הופך משמעותי.
• (FLT:0) ,Negting Image Force Effects: FIRLT:1) בשדות חשמליים גבוהים מאוד, כוח תמונה הפחתת גובה המחסום יעיל, המשפיע על המאפיינים של אזור הדהמה הוא בדרך כלל קטן, אבל יכול להיות משמעותי בצומתים דו-פעמיים או תחת הטיה הפוכה גבוהה.

אימות ואימות

חישובים אזוריים של דיפלציה צריכים תמיד להיות מאומתים נגד מדידות ניסיוניות או סימולציות מספריות מפורטות כאשר ניתן. Discrepancies בין ערכים מחושבים ומדדיים יכולים להצביע על בעיות עם פרופיל הפינגווי, נוכחות של פגמים או מלכודות, או אפקטים אחרים שאינם אידיאולוגיים שלא נתפסו על ידי מודלים אנליטיים פשוטים.

עבור יישומים קריטיים, מומלץ לבצע ניתוח רגישות כדי להבין כיצד אי-ודאות בפרמטרי קלט (ריכוזים, תכונות חומריות, טמפרטורה) propagate כדי לא-ודאות ברוחב המחיקה המחושב ותכונות המכשיר.

מגמות עתידיות וטכנולוגיות מתפתחות

מכשירים ננומטריים ואפקטים קוונטיים

ככל שהמכשירים המוליכים למחצה ממשיכים להתכווץ, השפעות מכניות קוונטיות הופכות חשובות יותר ויותר.במכשירים ננוקליים, מודל אזור הדהדול הקלאסי עשוי להיות בעל תיקונים קוונטיים כדי לחזות במדויק את התנהגות המכשיר.

אפקטים של הגבלת קוונטים יכולים לשנות את ההתפלגות ביעילות של להקות של להקות ונושאות באזורים דקים מאוד.בנוסף, מנהרה דרך אזור הדה-פלציה הופכת משמעותית כאשר רוחב מופחת לכמה ננומטרים, המוביל לזרם דליפה מוגבר שאינו צפוי על ידי מודלים קלאסיים.

אדריכלות מכשירים

ארכיטקטורות מכשירים מתפתחות כגון FinFETs, ננו-חוט טרנזיסטור, ומנהרה FET מציג אתגרים חדשים והזדמנויות להנדסת אזורי פענוח. מבנים אלה יש גיאוגרפיות תלת-ממדיות מורכבות שבו התנהגות אזורי הדה-פלציה שונה באופן משמעותי מזה בהתקני תכנון.

ב FinFET, אזור המחיקה משתרע ממשטחים מרובים, והאינטראקציה בין אזורי הדהמה האלה קובעת את מאפייני המכשיר.מודלים מדויקים של השפעות אלה דורשים סימולציות תלת-ממדיות מתוחכמות, אך העקרונות הבסיסיים של פיזיקה אזורית הדה-פלישה נשארים רלוונטיים.

חומרים מתקדמים והטרוורס

הטרובנים המשלבים חומרים מוליכים למחצה שונים מציעים הזדמנויות ייחודיות עבור הנדסה של הלהקה אופטימיזציה למכשירים. אזור המחיקה בצומת הוא מורכב יותר מאשר ב Hojunction בשל הפסקות ב- bandgap ואלקטרונית חדות בממשק.

שני חומרים תלת-ממדיים כגון גרפן והחלפת dichalcogenides מתכת נחקרים עבור הדור הבא של מכשירים אלקטרוניים ואופטפטו-אלקטרוניים.התנהגות אזור המחיקה בחומרים דקים אטומיים אלה שונה באופן יסודי מזה במוליכים למחצה, הדורש מסגרות תיאורטיות חדשות ושיטות חישוב.

שילוב עם עיצוב מעגלי ומערכת

מודלים למכשירים של סימולציית מעגל

חישובי אזור דפלציה מודיעים על פיתוח מודלים של מכשירים קומפקטיים המשמשים סימולציה מעגלית. פרמטרים כגון צומת קיבול, מתח התמוטטות ומהירות מעבר - כולם נגזרים מניתוח אזורי depletion - משולבים במודלים SPICE וכלי סימולציה אחרים של מעגלים.

מודלים אוטומטיים של מכשירים מאפשרים למעצבי מעגלים לחזות ביצועים ברמת המערכת ולייעל את המעגל להתנצלות ללא פרוטוטיפטציה נרחבת.איכות המודלים האלה תלויה באופן ביקורתי בדיוק של חישובי אזור הדהמה והאפיון הבסיסי.

אמינות וגירוש מכניזם

אזור המחיקה ממלא תפקיד במספר מנגנוני ההשפלה של המכשיר.זריקת נושאות חם, אשר יכול להפיג ביצועים טרנסטור לאורך זמן, מושפעת מהתפלגות השדה החשמלי באזור הדהמה. התמוטטות דיאלקטרי תלויה בזמן במעבורת מושפעת ממאפיינים של אזור המחיקה בממשק המוליכים למחצה.

הבנת מנגנוני ההשפלה הללו באמצעות ניתוח אזורי המחיקה מאפשרת פיתוח של מכשירים אמינים יותר ומסייעת לקבוע מגבלות הפעלה מתאימות והנחיות לאמינות ארוכת טווח.

משאבים חינוכיים ולמידה נוספת

עבור מהנדסים וסטודנטים המבקשים להעמיק את ההבנה שלהם של חישובים אזוריים ופיזיקה של המכשיר למחצה, משאבים רבים זמינים. קורסים באוניברסיטה באלקטרוניקה מוצק המדינה ומכשירים Semiconductor לספק כיסוי מקיף של היסודות התיאורטיים. ספרי טקסט כגון "Physics of Semiconductor התקנים" על ידי S.M. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S. S.

משאבים מקוונים, כולל אתרי חינוך כמו FLT:0 (PVEducationFLT) 1 ו- (FLT:2Electronics TutorialsFLT 3:3), לספק הסברים נגישים וכלים אינטראקטיביים לחקר מושגים אזוריים.

ניסיון עם כלי סימולציה של מכשירים כגון סילקו TCAD, Synopsys Sentaurus, או חלופות קוד פתוח מספק מיומנויות מעשיות ביישום חישובים אזורי מחיקה לבעיות עיצוב מכשירים אמיתיים. אוניברסיטאות רבות וחברות מציעים קורסי הכשרה בכלים אלה.

מסקנה

חישובים אזוריים של Depletion מהווים את הבסיס של עיצוב מכשיר ואופטימיזציה למחצה. מן הפיזיקה הבסיסית של היווצרות צומת p-n ליישומים מתקדמים באלקטרוניקה כוח, אופטיקואלקטרוניקה, ומכשירים ננומטריים, הבנה וקביעת דיוק המאפיינים של אזור המחיקה הוא חיוני ליצירת ביצועים גבוהים, רכיבי מוליכים למחצה אמינים.

המסגרת המתמטית לחישובי רוחב המחיקה, המבוססת על פתרון המשוואה של פומפסון עם תנאים מתאימים לגבולות, מספקת מהנדסים עם כלים כמותיים לחזות התנהגות המכשיר.היחסים המנוגדים בין ריכוז לבין רוחב המחיקה, התלות המתח של אזור הדה, וההרחבה הסימטרית לאזורים הדוגלים באור השמש הם כל הפרמטרים העיצוביים הקריטיים שניתן לייעל באמצעות חישוב זהיר וניתוח.

כמו טכנולוגיה של מוליכים למחצה ממשיכה להתקדם לעבר ממדים קטנים יותר, תדרי הפעלה גבוהים יותר, ויישומים תובעניים יותר, החשיבות של חישובים מדויקים אזוריים רק עולה. בין אם עיצוב מוצץ פשוט, transistor במהירות גבוהה, תא סולארי יעיל, או מכשיר כוח הדור הבא, מהנדסים חייבים לשלוט עקרונות ושיטות של הנדסה באזור הדה.

על ידי שילוב הבנה תיאורטית עם מיומנויות חישוב מעשיות, אימות באמצעות מדידה וסימולציה, ומודעות של תכונות חומריות ופיסיקה המכשיר, מהנדסים יכולים למנף חישובים אזורית של מחיקת ועיצובים transistor, השגת ביצועים אופטימליים בטווח המלא של יישומי מכשיר חצי-מוליכים למחצה.האבולוציה המתמשכת של טכנולוגיית Semiconductor למחצה ללא ספק תביא אתגרים חדשים והזדמנויות באזור depletion, מה שהופך אזור חיוני זה ידע חיוני עבור הדור הנוכחי של מהנדסים.