Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов и слоистых структур

1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ 1.1 Идеализированные статические вольтамперные характеристики транзисторов 1.2 Реальные статические вольтамперные характеристики транзисторов 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИСХОДЯЩЩИЕ В ПРИБОРАХ ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН 2.1 Идеальный контакт металл-полупроводник 2.2 Реальный контакт металл-полупроводник 2.3 Неустойчивость тока в транзисторной структуре с контактом металл-полупроводник 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕМЕЙСТВА ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРОВ ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН 3.1 Семейство вольтамперных характеристик приборов с общим В-электродом (базой) 3.2 Семейство вольтамперных характеристик приборов с общим А-электродом 3.3 Семейство вольтамперных характеристик приборов с общим С-электродом 4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА: "ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И СТРУКТУР" ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ В настоящей дипломной работе разработана установка и методика исследования семейств характеристик полупроводниковых приборов.

Цель дипломной работы состояла в постановке лабораторной работы исследовательского характера для практикума по физике полупроводниковых приборов по исследованию вольтамперных характеристик не только ставших широко известных полупроводниковых приборов диодов и транзисторов, но и абсолютно новых приборов разработанных и исследуемых на кафедре физики полупроводников ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН. Лабораторная работа "Исследование характеристик и параметров полупроводниковых приборов" поставлена на основе отремонтированного и модернизированного характериографа TR4802. Методика выполнения лабораторной работы построена по принципу "от простого к сложному". Лабораторная работа дает возможность студентам на практике ознакомиться с реальными полупроводниковыми приборами и изучить характеристики новых приборов, ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН. Лабораторная работа предназначена для студентов 5 курса.

Дипломная работа и описанная в ней лабораторная работа позволяет эффективно использовать физически устаревшее оборудование в учебном процессе, давая возможность отказаться от закупок дорогих приборов.

В В Е Д Е Н И Е Современные условия жизни требуют от студентов хорошую теоретическую подготовку и, что особенно важно, практические знания и умения - столь необходимые в рыночной экономике.

Студент умеющий работать со сложными приборами и установками, самостоятельно изучать научную литературу и делать необходимые выводы, имеет значительные шансы на успех в своей деятельности. Важное место в подготовке квалифицированных специалистов отводится лабораторному эксперименту, который является одной из основных форм самостоятельной работы студентов.

Главная роль лабораторных работ заключается в том, что студенты сталкиваются с реальными задачами и проблемами, учатся практически оценивать полученные результаты.

Цель дипломной работы: поставить лабораторную работу исследовательского характера и разработать методику ее выполнения для практикума по физике полупроводниковых приборов с исследованием вольтамперных характеристик не только ставших широко известных полупроводниковых приборов диодов и транзисторов, но и абсолютно новых приборов разработанных и исследуемых на кафедре - ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН. Изучение новых, не описанных в широкой научной литературе полупроводниковых структур должно стимулировать студента к самостоятельной и вдумчивой работе и заставить серьезно вникнуть в суть происходящих явлений внутри кристаллов.

Дополнительная цель данной работы - это составление теоретической и практической части лабораторного эксперимента доступным языком без изобилия сложных технических терминов, что позволит сделать работу легко читаемой и доступной для понимания. 1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ. С момента изобретения полупроводниковых приборов, они нашли широкое применение в самой разнообразной аппаратуре.

Это связано с их преимуществами перед вакуумными лампами, отсутствие цепей накала, миниатюрное конструктивное оформление, высокая механическая прочность и практически мгновенная готовность к работе, что позволило коренным образом изменить внешний облик и функциональные возможности аппаратуры.Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники пошло двумя путями: - по пути интеграции дискретных активных и пассивных элементов в одной гибридной или монолитной схеме; - по пути создания принципиально новых полупроводниковых приборов, которые заменяют целые узлы в радиоэлектронной аппаратуре, что многократно уменьшает ее вес, габариты и увеличивает надежность.

В настоящее время создано огромное количество интегральных схем и исследовать их характеристики просто не имеет смысла, так как обычно серьезные производители прилагают к своим изделиям подробные описания, но основные элементы микросхем не так многочисленны. Это диоды, стабилитроны, стабисторы, туннельные диоды, диоды с баръером Шоттки, полевые и биполярные транзисторы, тиристоры и семисторы, варикапы.

Благодаря научно-исследовательской работе сотрудников КубГУ появились новые полупроводниковые структуры: ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН.[1,2] Из учебников по физике полупроводников /3/ нам известно, что каждый полупроводниковый прибор или структура должна обладать своими специфическими характеристиками благодаря которым такие приборы возможно использовать для построения радиоэлектронной аппаратуры.

Важнейшими параметрами диодов используемых в аппаратуре для получения постоянных токов является прямой и обратный токи. Прямой ток можно измерить по схеме приведенной на рис.1а. К диоду приложено прямое напряжение Миллиамперметр измеряет прямой ток диода Резистор защищает миллиамперметр от перегрузки при подключении неисправного (пробитого) диода.Измерение обратного тока производится по схеме изображенной на рис.1б. Источник создает на диоде обратное напряжение . Микроамперметр защищен от перегрузки ограничительным резистором . Обычно обратный ток измеряется при максимально допустимом напряжении для данного типа диода (можно узнать в справочнике). Далее, если плавно изменять прямое или обратное напряжение и записывать данные миллиаперметра, можно построить график зависимости прямого и обратного тока через диод от приложенного напряжения.

Такой график, как известно, называется вольт-амперной характеристикой (сокращенно ВАХ). График зависимости тока от приложенного напряжения является важнейшей характеристикой по которой сравниваются отдельные полупроводниковые приборы.

Качество диода можно охарактеризовать также его коэффициентом выпрямления: При комнатной температуре коэффициент выпрямления достигает нескольких тысяч, причем у кремниевых диодов он больше, чем у германиевых.Основные параметры биполярных транзисторов можно измерять аналогичным способом.

Обратный ток коллектора транзистора структуры p-n-p измеряется по схеме рис.2а а структуры n-p-n по схеме рис.2б. Обратное напряжение от источника приложено к коллекторному переходу транзистора , эмиттер которого остается свободным.Протекающий через переход обратный ток коллектора измеряется микроамперметром, защищенным от перегрузок ограничительным резистором .При комнатных температурах обратный ток не превышает нескольких микроампер у маломощных и десятков микроампер у мощных.

Начальный ток коллектора измеряется с помощью схем рис.2 в,г. Между базой и эмиттером транзистора включается резистор , сопротивление которого выбирается в пределах 500-1000 Ом для маломощных и 0-2 Ом для мощных транзисторов. Измеряемый микроамперметром, который защищен от перегрузок ограничительным резистором , начальный ток коллектора маломощных транзисторов при комнатных температурах составляет единицы, а мощных - десятки микроампер.Статическим коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером называется отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор-эмиттер и токе эмиттера в схеме с общим эмиттером: Приближенное значение статического коэффициента передачи тока можно измерить с помощью простых схем рис.2д,е. Если пренебречь малым прямым сопротивлением эмиттерного перехода транзистора по сравнению с сопротивлением резистора в цепи базы, то ее ток равен , и статический коэффициент передачи тока: Таким образом, показания миллиамперметра пропорциональны статическому коэффициенту передачи тока. При рассмотрении работы транзистора необходимо учитывать, что существуют идеализированные и реальные статические характеристики.

При рассмотрении идеализированной модели транзистора идеализация заключается в том, что модель транзистора считается одномерной, когда высота базового перехода гораздо меньше величины квадратного корня из площади сечения транзистора, т.е. размеры транзистора в направлениях, перпендикулярных главной оси, много больше толщины базы. В этом случае можно предположить движение носителей только вдоль главной оси без отклонения в стороны.

Идеализация заключается также в том, что не учитываютя объемные сопротивления слоев.

Рассмотрим формулы Молла-Эберса, которые, несмотря на их приближенность, очень полезны для анализа статических режимов работы транзистора, так как хорошо отражают основные особенности транзисторов при любых сочетаниях напряжений на переходах [4]. Приступая к выводу основных характеристик, пренебрежем эффектом модуляции толщины базы вместе с его следствиями.

Тогда для транзистора можно принять такую эквивалентную схему, которая показана на рис.3. Здесь каждый из переходов изображен в виде диода, а взаимодействие их отражено генераторами токов. Так, если эмиттерный переход открыт и через него протекает ток, то в цепи коллектора будет протекать несколько меньший ток, т.к. часть инжектированных носителей рекомбинирует.

В общем случае токи эмиттера и коллектора складываются из двух компонентов: инжектируемого ( или ) и собираемого ( или ): Связь инжектируемых компонентов с напряжениями на переходах такая же, как и в отдельном диод: Обозначив ток эмиттера при большом отрицательном смещении ( ) и оборванном коллекторе через (тепловой ток эмиттера), аналогичным путем получим: (1.9) Подставив токи и из (1.6) и (1.7) в соотношения (1.4) и (1.5), найдем зависимости и , т.е. статичес- кие вольт-амперные характеристики транзистора: (1.10) (1.11) Запишем еще ток базы, равный разности токов и : (1.12) Формулы Молла-Эберса (1.10 - 1.12) приближены, но очень по- лезны при анализе статических режимов работы транзисторов.

Необ- ходимо уточнить, что количественные расчеты по формулам (1.10 - 1.12) в случае кремниевых транзисторов дают значительную погреш- ность, так как обратные токи у кремниевых транзисторов нельзя считать тепловыми. 1.1 Идеализированные статические вольт-амперные ха- рактеристики транзисторов.

Если на p-n переходе является заданной величиной эмиттерный ток, а не эмиттерное напряжение, то выражая двучлен из формулы (1.10) и подставляя его в (1.11), получаем: (2.1) Это выражение представляет собой семейство коллекторных с параметром [4]. Такое семейство изображено на рис.4а. Семейство эмиттерных характеристик с параметром получа- ется из выражения (1.10), если разрешить его относительно . Ис- пользуя соотношение (2.2) получаем: (2.3) Эмиттерное семейство характеристик показано на рис.4б. Из рисунка 4а ясно видно два резко различных режима работы транзистора: активный режим, соответствующий значениям и ре- жим насыщения, соответствующий значениям . Для активного ре- жима формулы (2.1) и (2.3) переходят в следующие: (2.4) (2.5) Характеристики на рис.4а являются эквидистантными, т.к. при построении параметр принят постоянной величиной.

В характеристиках эмиттерного семейства (рис.4б) кривая с параметром является обычной диодной характеристикой.

При значениях кривые сдвигаются вправо и вниз в связи с нараста- нием эмиттерного тока. При значениях кривые очень незначи- тельно смещаются влево и вверх. 1.2 Реальные статические вольт-амперные характе- ристики транзисторов.В формулах Молла-Эберса не учитывается целый ряд факторов, таких, как эффект Эрли (зависимость толщины базы от ), пробой перехода, зависимость от тока и пр. Поэтому характеристики на рис.4 в значительной степени идеализированны. Реальные коллектор-.