Σχεδιασμός, κατασκευή, χαρακτηρισμός και προσομοίωση διόδων BBD πυριτίου του τύπου p+-n-p

Abstract

Bulk- Barrier Diodes (BBDs) are two - terminal three-layer structures similar to Bipolar Junction Transistors (BJT’s) of p+-n-p or n+-p-n type structures. However, contrary to the BJT’s, the middle (base) region in BBDs is so thin that it is normally fully depleted from free carriers, and also there exist no neutral region even for zero bias conditions (thermal equilibrium). As a result, a potential barrier is located inside the semiconductor. This potential barrier controls exponentially the current through the device. The potential barrier height can be controlled by well controllable technological parameters, such as dopant concentration and middle layer width, as well as by the applied bias voltage. This advantage and the fact that Bulk Barrier Diodes are majority carrier devices make them very attractive in many applications such as in high-speed applications or as photodiodes with high internal gain. So far, there are several published works, dealing with some very interesting applications of ΒΒD’s, based on the initially presented theoretical models such as the model of the dc electrical behavior or the theoretical model of the optoelectronic behavior. Although most experimental results can be well explained by the above models, these models do not include the effects of all technological parameters as well as the effects of applied bias conditions. Furthermore, no analytical model has been presented, that could describe one of the most important applications of ΒΒD, which is its application as high speed switching device (switching behavior). The present work attempts to give solution to the above problems, using the device simulation as the basic tool. Thus, it attempts to extend and complete the previous presented theoretical models with new analytical expressions of all the important quantities that describe the behavior of these structures, to investigate the validation limits of the new proposed models, as well as to optimize the performance of these devices in the different application areas.

Οι δίοδοι ‘Bulk - Barrier’ (BBD) είναι διατάξεις τριών στρωμάτων, όμοιες με τα αμφιπολικά τρανζίστορ επαφών. Μπορούν να υλοποιηθούν με τη χρήση δομών του τύπου p+-n-p ή n+-p-n. Η ουσιαστική διαφορά προς τα αμφιπολικά τρανζίστορ επαφών, έγκειται στο μεταλλουργικό εύρος της μεσαίας περιοχής (βάσης), το οποίο κατασκευάζεται τόσο μικρό, ώστε ακόμη και σε μηδενική τάση πόλωσης οι περιοχές φορτίων χώρου των δύο επαφών, μέσα στο μεσαίο στρώμα, να επικαλύπτονται. Έτσι, το μεσαίο στρώμα παραμένει κενωμένο από ελεύθερους φορείς, ακόμη και στη μηδενική πόλωση (κατάσταση θερμικής ισορροπίας). Αυτό οδηγεί, στη δημιουργία ενός φράγματος δυναμικού μέσα στη μεσαία περιοχή, το οποίο ελέγχει εκθετικά την ένταση του ρεύματος διαμέσου της διάταξης. Το ύψος του φράγματος δυναμικού μπορεί να ρυθμιστεί τόσο από τις τεχνολογικές παραμέτρους κατασκευής των διατάξεων, όσο και από την εφαρμοζόμενη τάση πόλωσης. Η ιδιότητα αυτή σε συνδυασμό με το γεγονός ότι οι δίοδοι BBD είναι διατάξεις φορέων πλειοψηφίας, καθιστούν αυτές πολύ ενδιαφέρουσες σε εφαρμογές υψηλών ταχυτήτων. Οι μέχρι σήμερα δημοσιευμένες ερευνητικές εργασίες αναφέρονται, αποσπασματικά, κυρίως σε πολύ ενδιαφέρουσες εφαρμογές των διατάξεων BBD που βασίζονται στα αρχικώς προτεινόμενα θεωρητικά μοντέλα, όπως αυτό της dc ηλεκτρικής συμπεριφοράς ή αυτό της οπτοηλεκτρονικής συμπεριφοράς. Τα παραπάνω μοντέλα ενώ ερμηνεύουν ικανοποιητικά μέχρι σήμερα τα περισσότερα από τα πειραματικά αποτελέσματα δεν συμπεριλαμβάνουν στις περιγραφές τους (εξισώσεις) την επίδραση όλων των παραμέτρων της τεχνολογίας κατασκευής αλλά και των συνθηκών λειτουργίας των. Επίσης, δεν υπάρχει μέχρι σήμερα δημοσιευμένο ερευνητικό έργο για την ίσως σπουδαιότερη εφαρμογή των διόδων BBD, που είναι αυτή του διακόπτη υψηλής ταχύτητας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή προσπαθεί με βασικό εργαλείο την προσομοίωση της λειτουργίας των διατάξεων BBD, να δώσει λύση στα πιο πάνω προβλήματα, δηλαδή να συμπληρώσει και να επεκτείνει τα ήδη υπάρχοντα θεωρητικά μοντέλα, να καθορίσει τα όρια ισχύος των μοντέλων στις διάφορες εφαρμογές, αλλά πολύ περισσότερο να δώσει προοπτικές βελτιστοποίησης της απόδοσης των διατάξεων αυτών σε διάφορες περιοχές εφαρμογών.