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肖特基二极管工艺模拟与仿真

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肖特基二极管,又称肖特基二极管,是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管,SBD是肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,缩写为SBD)的简称。与普通二极管(多指用PN结形成的硅二极管)相比最显著的特点为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降更低,仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管,续流二极管、保护二极管,也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。而普通二极管只能用在低频整流场合,耐压可以做得更高。
1.2 国内外研究现状
国外行业对肖特基二极管的研制及应用已有二十多年的历史,设计技术成熟、工艺稳定、批次产品参数一致性好且市场占据份额足,目前已达到实用化水平。据了解,国外像MA-COM公司等实力较强的研制单位,在梁式引线技术上有明显的优势,所研制的肖特基二极管尺寸小、工艺可控、使用频率可达>40GHz。虽然970厂在国内微波肖特基二极管生产制造这一领域里具有优势地位,但在肖特基二极管技术这方面的研究开发起步较晚,理论技术较薄弱,工艺难以实现,每年只有少量的零星供货。成都亚光电子股份有限公司和中电55所作为国内制造微波肖特基检波二极管的唯一两家单位,在肖特基二极管方面的研究和国外差距较大,主要体现在以下几方面:1.结构设计和关键工艺的掌握,肖特基二极管的器件结构、外形尺寸的设计以及像“金属梁”的形成、玻璃钝化、复合膜介质钝化、双面光刻等关键工艺的掌握;2.产品常规电参数和微波参数设计,肖特基二极管的关键电参数如结电容、使用频率的设计等关键问题都需要研究设计;3.工艺水平及工艺设备的限制,由于光刻技术的不成熟和双面曝光以及红外曝光技术的缺陷,以及多层金属化技术和电镀工艺设备及工艺的不稳定,阻碍了肖特基二极管的研制工作;4.产品的成品率和长期可靠性;5.批内、批间产品电参数的一致性。目前随着整机系统集成化、小型化、模块化和高频化的进一步需求以及微波电路在毫米波的迅速发展,国内对粱式引线肖特基二极管的产品门类及需求量逐年递增,但绝大部分市场被国外公司占据。因此,迅速及时的开发、设计、研制出参数指标达到要求、可靠性高的微波肖特基势垒粱式引线二极管替代进口,并形成稳定的生产力,提高器件可靠性,满足征集对技术性能和可靠性指标的要求,满足器件国产化需求,实现自我配套能力是当今国内行业需噩待解决的问题,也是本文的研究基础。

微电子科学与工程
选用可靠的、性能稳定的半导体材料是微波二极管的基础,肖特基混频、检波二极管的硅外延材料和势垒金属是关键材料,肖特基二极管的关键更是如此。
硅外延片的选择,将根据产品性能参数的不同研究外延片浓度和厚度与参数指标的关系,如正向导通电压和反向击穿电压与外延层的浓度 Nd 和厚度 W 等参数关系密切,应重点加以研究。
由半导体器件理论可知:

按照中势垒结构反向击穿电压最低为 4V 计算,根据公式(4-1)得硅材料外延层 N+的浓度 ND 约为 6.2×1016cm-3。
 势垒金属的选择,根据中势垒、低势垒肖特基二极管,研究金属半导体接触电势差(不同金属与外延层接触的势垒高度)与导通电压和反向击穿电压的关系,研究势垒金属纯度影响。
硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中,为 1.12 电子伏。载流子迁移率较高,电子迁移率为 1350 厘米2/伏·秒,空穴迁移率为 480 厘米2/伏·秒。本征电阻率在室温(300K)下高达 2.3×105欧·厘米,掺杂后电阻率可控制在 104~10-4  欧·厘米的宽广范围内,能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长,在几十微秒至 1 毫秒之间。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜及复合膜实现肖特基势垒结表面钝化和保护,还可以形成金属-氧化物-半导体结构,制造集成电路和 MOS 场效应晶体管。上述硅材料的性质使肖特基势垒结具有良好的电特性,使硅器件具有反向漏电流小、耐高压、使用寿命长、可靠性好,并能在 200高温下运行等优点。
硅材料的性能是工作性能和稳定性能的良好协调。硅器件(能隙带为 1.12e V)不易产生热噪声。硅源气体可以达到相当高的纯度,这意味着可以形成高电阻率材料。加之其可实现高浓度的可溶性掺杂:对于普通掺杂物的硼、磷和砷,其掺杂度可以达到 1021/cm-3,且硅材料有很大的强度系数。近年来,硅材料一直是半导体器件生产制造的首选材料。


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