Полупроводниковые приборы

С О Д Е Р Ж А Н И Е ВВЕДЕНИЕ 1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВДНИ- КОВЫХ ПРИБОРОВ. 1.1 Идеализированные статические вольт-ампер- ные характеристики транзисторов. 1.2 Реальные статические вольт-амперные харак- теристики транзимторов. 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 ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРОВ ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН. 3.1 Семейство вольт-амперных характеристик приборов с общим В-электродом базой. 3.2 Семейство вольт-амперных характеристик приборов с общим А-электродом. 3.3 Семейство вольт-амперных характеристик приборов с общим С-электродом. 4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И СТРУКТУР. 54 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 71 Р Е Ф Е Р А Т Дипломная работа содержит 78 машинописных листов 43 рисун- ка и иллюстрации, 6 таблиц, 11 использованных источников, 2 при- ложения.

В настоящей дипломной работе разработана установка и методи- ка исследования семейств характеристик полупроводниковых прибо- ров. Цель дипломной работы состояла в постановке лабораторной ра- боты исследовательского характера для практикума по физике полуп- роводниковых приборов по исследованию вольт-амперных характерис- тик не только ставших широко известных полупроводниковывх прибо- ров диодов и транзисторов, но и абсолютно новых приборов разрабо- танных и исследуемых на кафедре физмки полупроводников ТУННЕЛИС- ТОР и БИСПИН. Лабораторная работа Исследование характеристик и параметров полупроводниковых приборов поставлена на основе отре- монтированного и модернизированного характериографа TR4802. Мето- дика выполнения лабораторной работы построена по принципу от простого к сложному. Лабораторная работа дает возможность сту- дентам 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 учеб- ном процессе, давая возможность отказаться от закупок дорогих приборов.

Комитет по высшей школе КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КубГУ кафедра физики полупроводников Допустить к защите в ГЭК 1996 г. Заведующий кафедрой профессор Муравский Б.С. Д И П Л О М Н А Я Р А Б О Т А ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И СЛОИСТЫХ СТРУКТУР Проект выполнил дипломник Калугин Валентин Лайошевич Группа факультет физический специальность 04. Руководитель работ профессор Муравский Б.С. Нормоконтролер доцент Жужа М.А. Краснодар 1996. В В Е Д Е Н И Е Современные условия жизни требуют от студентов хорошую тео- ретическую подготовку и, что особенно важно, практические знания и умения - столь необходимые в рыночной экономике.

Студент умею- щий 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 от- водится лабораторному эксперименту, который является одной из ос- новных форм самостоятельной работы студентов.

Главная роль лабо- раторных работ заключается в том, что студенты сталкиваются с ре- альными задачами и проблемами, учатся практически оценивать полу- ченные результаты. Цель дипломной работы . поставить лабораторную работу исследо- вательского характера и разработать методику ее выполнения для практикума по физике полупроводниковых приборов с исследованием вольт-амперных характеристик не только ставших широко известных полупроводниковых приборов диодов и транзисторов, но и абсолютно новых приборов разработанных и исследуемых на кафедре - ТУННЕЛИС- ТОР и БИСПИН. Изучение новых, не описанных в широкой научной литературе полупроводниковых структур должно стимулировать студента к самос- тоятельной и вдумчивой работе и заставить серьезно вникнуть в суть происходящих явлений внутри кристаллов.

Дополнительная цель данной работы - это составление теорети- ческой 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 механичес- кая прочность и практически мгновенная готовность к работе, что позволило коренным образом изменить внешний облик и функциональ- ные возможности аппаратуры.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники пошло дву- мя путями - по пути интеграции дискретных активных и пассивных элементов в одной гибридной или монолитной схеме - по пути создания принципиально новых полупроводниковых прибо- ров, которые заменяют целые узлы в радиоэлектронной аппаратуре, что многократно уменьшает ее вес, габариты и увеличивает надеж- ность.

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 много- численны.

Это диоды, стабилитроны, стабисторы, туннельные диоды, диоды с баръером Шоттки, полевые и биполярные транзисторы, тирис- торы и семисторы, варикапы.

Благодаря научно-исследовательской работе сотрудников КубГУ появились новые полупроводниковые струк- туры 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 ап- паратуры. 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 резис- тором. Обычно обратный ток измеряется при максимально допусти- мом напряжении для данного типа диода можно узнать в справочни- ке. Далее, если плавно изменять прямое или обратное напряжение и записывать данные миллиаперметра, можно построить график зависи- мости прямого и обратного тока через диод от приложенного напря- жения.

Такой график, как известно, называется вольт-амперной ха- рактеристикой сокращенно ВАХ. График зависимости тока от прило- женного напряжения является важнейшей характеристикой по которой сравниваются отдельные полупроводниковые приборы.

Качество диода можно охарактеризовать также его коэффициентом выпрямления 1.1 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 измеря- ется по схеме рис.2а а структуры n-p-n по схеме рис.2б. Обрат- ное напряжение от источника приложено к коллекторному переходу транзистора, эмиттер которого остается свободным. Протекающий через переход обратный ток коллектора измеряется микроампер- метром, 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, ко- торый защищен от перегрузок ограничительным резистором, на- чальный 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 напря- жении коллектор-эмиттер и токе эмиттера в схеме с общим эмитте- ром 1.2 Приближенное значение статического коэффициента передачи то- ка можно измерить с помощью простых схем рис.2д, е. Если пренеб- речь малым прямым сопротивлением эмиттерного перехода транзистора по сравнению с сопротивлением резистора в цепи базы, то ее ток равен, и статический коэффициент передачи тока 1.3 где - сопротивление резистора в цепи базы, кОм - ток коллектора, mA - напряжение источника питания, В Таким образом, показания миллиамперметра пропорциональны статическому коэффициенту передачи тока. При рассмотрении работы транзистора необходимо учитывать, что существуют идеализированные и реальные статические характе- ристики.

При рассмотрении идеализированной модели транзистора идеали- зация заключается в том, что модель транзистора считается одно- мерной, 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.

Иде- ализация заключается также в том, что не учитываютя объемные соп- ротивления слоев.

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

Тогда для транзистора можно принять такую эквивалентную схему, которая по- казана на рис.3. Здесь каждый из переходов изображен в виде дио- да, 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 инжекти- руемого или и собираемого или 1.4 1.5. Связь инжектируемых компонентов с напряжениями на переходах такая же, как и в отдельном диоде и выражается формулой 1.6 1.7 где и - тепловые токи эмиттерного и коллекторного дио- дов при. Их можно выразить через такие величины, кото- рые обычно задаются в технической документации на транзистор, а именно через токи и, измеряемые при обрыве соответственно коллектора и эмиттера. Из формулы 1.7 при получаем из формулы 1.5 при получаем , Подставляя эти значения в 1.5 и полагая, что, получаем 1.8 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- ные и эмиттерные характеристики показаны на рис.5. Кривые коллекторного семейства имеют конечный, хотя и очень небольшой наклон, который в области, близкой к пробою, резко уве- личивается.

Расстояние между кривыми немного уменьшается при больших токах из-за роста тока. В активном режиме можно характеризовать коллекторное семейс- тво соотношением 2.6 Кривые эмиттерного семейства образуют довольно плотный пу- чок рис.5б, потому что влияние коллекторного напряжения на эмиттерное очень мало. При нагреве кривые смещаются влево в об- ласть меньших напряжений.

При достаточно большом токе входные вольт-амперные характеристики деформируются. На кафедре физики полупроводников КубГУ на базе МТОП-струк- туры был разработан новый полупроводниковый прибор - ТУННЕЛИСТОР - твердотельный функциональный генератор электрических колебаний.

В основе его работы лежит явление поверхностно-барьерной неустой- чивости тока сокращенно ПБНТ.5,6 Прибор ТУННЕЛИСТОР представляет собой полупроводниковую пластинку, имеющую омический контакт с нанесенным на нее активным контактом металл-тунельно прозрачный окисел полупроводник, кото- рый, для краткости, в соответствии с его назначением - эмиттиро- вать электроны из ПС и металла - назван эмиттером.

На противопо- ложной стороне пластины на расстоянии, меньшем диффузионной длины неосновных носителей, создается плоскостной p-n - переход, кото- рый в соответствии с его назначением поставлять неосновные носи- тели в базу назван инъектором. Площадь инъектора на один-два по- рядка больше площади эмиттера рис.6,7 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИБОРЕ ТУННЕЛИСТОР. Контакт металл-полупроводник является обязательным элементом всех полупроводниковых приборов и устройств и может использовать- ся для двух различных целей во-первых, как омический контакт, во-вторых, как активный элемент различных полупроводниковых при- боров - точечно-контактных и поверхностно-барьерных диодов и транзисторов, приборов с барьером Шоттки и т.д. Остановимся под- робней на своеобразных явлениях, происходящих в этих контактах. 2.1.

Идеальный контакт металл-полупроводник

Пусть имеются образцы металла и полупроводника n - типа с плоскими пов... без зазора и слоя окисла между ними контакт. Если, то электроны в перв... Предположим, что электрическое поле проникает в полупровод- ник на нек... степень его легирования и, чем больше разность работ выхода электронов... 2.2.

Реальный контакт металл-полупроводник

Поверхностные уровни-ловушки находятся в запрещенной зоне, и попавшие ... Аналогичная картина имеет место и при преобладании на по- верхности по... Высота барьера в этих условиях определяется равенством нулю полного за... Поэтому основное сопротивление для тока представляет запирающий слой, ... Итак, в реальном выпрямляющем контакте металл-полупроводник контактная...

Неустойчивость тока в транзисторной структуре с контактом металл-полупроводник

Верхней ВАХ соответствует Iав50 мА. Семейства ВАХ приборов по приведенной схеме включения похожи на выходн... Верхняя характеристика соответствует Iвс35 мкА. Улучшены тепловые режимы выпрямительных диодов и стабилитронов. Теоретические основы контакта металл-полупрово- дник.

литература по характеристикам и параметрам полупровод- никовых приборов. 2. Изучена литература по свойствам контактов металл-полупровод- ник, а также литература по поверхностно - барьерной неустойчи- вости тока и принципу работы приборов ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН. 3. Отремонтирован и модернизирован характериограф TR-4802. 4. Сняты и сфотографированы семейства вольт-амперных характерис- тик известных и новых, разработанных на кафедре физики полуп- роводников полупроводниковы приборов при различных схемах подключения. 5. Разработана подробная методика выполнения лабораторной работы исследовательского характера, для студентов старших курсов построенная по принципу от простого к сложному.