Неустойчивость тока в транзисторной структуре с контактом металл-полупроводник

Неустойчивость тока в транзисторной структуре с контактом металл-полупроводник. В современной твердотельной электронике используются в ка- честве активных элементов два типа контактов - контакт металл-ди- электрик-полупроводник с толстым с непрозрачным для электоро- нов слоем окисла, применяемый в МДП-транзисторах, и контакт ме- талл-полупроводник с барьером Шоттки - в качестве выпрямляющего устройства.

В диодах Шоттки между металлом и полупроводником тоже существует весьма тонкий около 1,5 нм слой окисла, прозрачный для электронов. Именно в такой структуре было впервые обнаружено явление поверхностно-барьерной неустойчивости тока ПБНТ. Промежуточное положение между двумя вышеназванными типами контактов занимает контакт металл- туннельно прозрачный окисел - полупроводник МТОП-контакт, толщина слоя окисла в котором сос- тавляет 2-3 нм. Именно благодаря контакту металл-туннельно проз- рачный окисел - полупроводник на кафедре полупроводников КубГУ был создан функциональный поверхностно-барьерный генератор - ТУН- НЕЛИСТОР 8. На рисунке 13 изображена энергетитческая диаграмма генера- тора. Генератор состоит из транзисторной структуры с поверхност- но-барьерным переходом и с p-n-переходом. Принцип действия заключается в следующем вероятность тун- нельного перехода электрона с некоторого акцепторного поверхност- ного уровня, контролирующего высоту барьера определя- ется толщиной барьера на высоту этого уровня.

С ростом подаваемо- го на образец напряжения, толщина барьера на высоте акцепторного поверхностного уровня уменьшается, т.к. происходит более сильное искривление энергетической зоны в приповерхностной области, и при некотором значении и соответствующим ему значени- ем может наблюдаться значительная эмиссия электронов с поверхностных центров в зону проводимости полупроводника.

Если эффективное время туннельного перехода туннеля с уровня в зону проводимости полупроводника, больше, чем время захвата электронов на поверхностные уровни, то высота барьера остает- ся неизменной, через образец будет идти ток, обусловленный тун- нельной эмиссией.

Неустойчивость тока в этом случае наблюдаться не должна. Если же эффективное время туннельного перехода меньше времени захвата, т.е. процесс туннельной эмиссии с поверхностных центров преобладает над процессом захвата электронов на эти цент- ры, то барьер понизится штриховая линия на рис. 14. вследствие уменьшения отрицательного поверхностного заряда, а это, в свою очередь, вызовет более интенсивную эмиссию электронов из металла в полупроводник.

Если образец включен в цепь генератора тока, то увеличение тока вызовет уменьшение поля в поверхностно- барьерном переходе.

Поверхностные состояния, возвращаясь к равновесию, вновь захватывают электроны, восстанавливая барьер. Поле в переходе возрастает до критического, и процесс повторяется. В образце воз- никает неустойчивость тока. Если уровни размыты в зону, то колебания будут наблю- даться в некотором интервале значений. Если же имеется диск- ретный ряд значений, то ему будет соответствовать дискретный ряд значений критических напряжений. Время спада релаксационного всплеска и сам процесс существо- вания колебаний существенно зависит от темпа рекомбинации, опре- деляемого избыточной концентрацией дырок и величиной, т.к. после эмиссии электронов из металлического контакта будут протекать два конкурирующих процесса повторный захват электро- нов на поверхностные состояния и рекомбинация в приповерхностном слое. В случае же преобладания рекомбинации над захватом при значительном увеличении ток скачком достигает максимального значения, и колебания срываются.

Описанная выше качественная модель справедлива ввиду наличия на поверхности полупроводника стабилизированного тренировкой слоя окисла, затрудняющего эмиссию электронов в полупроводник и захват их на быстрые состояния непосредственно из металла.

Экспериментально наблюдаемое влияние p-n-перехода на пара- метры колебаний можно объяснить следующим образом. При оборван- ной цепи Р-области перехода экстракции дырок из базы через по- верхностно-барьерный переход создает отрицательный градиент их концентрации вдоль всей базы, что нарушает равновесие дырочных потоков мужду n- и p-областями p-n-перехода и создает неуравнове- шанный поток достаточно энергичных дырок из p-области в базу. P-область заряжается отрицательно и высота потенциального барьера уменьшается штрихпунктирная линия рис.13 Этому способствует и падение напряжения на распределенном сопротивлении базы. Поток дырок из p-области в базу возрастает.

Ввиду малой эффективности ПБП дырки аккумулируются вблизи поверхности.

В результате часть отрицательного заряда поверхностных состояний компенсируется не ионизированными донорами, а аккумулируемыми дырками, что приводит к уменьшению толщины барьера x, локальному усилению поля и сниже- нию критического напряжения возбуждения колебаний. При малых ве- личинах резистора R концентрация дырок в базе возрастает и коле- бания срываются. Таким образом, резистором устанавливается оп- тимальное для существования неустойчивости значения . 3. СЕМЕЙСТВА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРОВ ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН 9. Для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ БИСПИНа и ТУН- НЕлИСТОРа был использован характериограф TR-4802. Для электродов БИСПИНа и ТУННЕЛИСТОРа, имеющих схожее функциональное назначение введены следующие буквенные обозначения С- p-область, В- n-об- ласть база, А- область - генерирующий контакт.

Там же обозначе- ны знаками - ступенчатое изменение параметрического тока в положи- тельную сторону в отрицательную сторону положительное или - отрицательное напряжение развертки на электродах измерительного прибора. 3.1. Семейство вольтамперных характеристик прибо- ров включенных по схеме с общим В-электродом базой Представленные в этом разделе семейства ВАХ исследуемых при- боров получались при включении их по схеме с общим В-лектродом.

При этом на электроды А и С поочередно подавались напряжение раз- вертки и ступенчатый параметрический ток разной полярности.

На рис.14 изображена блок-схема измерения а, характерис- тики БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в зависимости IсвFUсв при -IавCONST и следующих режимах -БИСПИНа Uсв0,5 всм, Iсв0,5 мАсм, Rн200 Ом, Iав0,5 мАступ. Верхняя ВАХ соответствует Iав3мА -ТУННЕЛИСТОРа Uсв0,5 Всм, Iсв0,5 мАсм, Rн1 кОм, Iав0,5 мАступ. Верхняя ВАХ соответствует Iав3 мА. Как видим из рисунка семейства ВАХ исследуемых приборов ка- чественно не отличаются и представляют собой характеристику p-n -перехода, сдвигаемую вверх вдоль оси токов под воздействием па- раметрического тока. Ток, текущий в обратном направлении через активную А-область приводит к возникновению неустойчивости тока в этой области 6. Неустойчивость модулирует характеристики p-n-перехода БИСПИНа и ТУННЕЛИСТОРа. Необходимо отметить, что крутизна характеристик БИСПИНа при равных условиях больше крутиз- ны характеристик ТУННЕЛИСТОРа. При указанных режимах на ВАХ ТУН- НЕЛИСТОРа наблюдаются колебания нечеткие характеристики. Неус- тойчивость на БИСПИНе при этой блок-схеме можно получить, изменив режим Uсв0,1Всм Iсв10 мкАсм Rн10 кОм Iав50-70 мкА, т.е. в микрорежиме, при величинах тока на порядок меньших, чем у ТУН- НЕЛИСТОРа. При включении исследуемых приборов по блок-схеме рис.15,а получим семейства ВАХ БИСПИНа рис.15,б и ТУННЕЛИСТОРа рис.15,в в виде зависимостей IсвFUсв при IавCONST и режи- мах измерений -БИСПИНа Uсв0,5 Всм, Iсв0,5 мАсм, Rн 1 кОм, Iав0,2 мАступ. -ТУННЕЛИСТОРа Uсв0,2 Всм Iсв0,2 мАсм Rн 1 кОм, Iав0,2 мАступ. В отличие от предыдущей схемы включения, ВАХ обоих приборов, представляющие прямую ветвь p-n-перехода, при возрастании абсо- лютной величины параметрического тока сдвигаются в сторону оси отрицательных токов и положительных напряжений, что особенно наг- лядно видно на примере ВАХ БИСПИНа. Незначительное влияние пара- метрического тока на ВАХ ТУННЕЛИСТОРа объясняется очень малым сопротивлением А-области прямому току. Неустойчивости тока в обо- их приборах не возникают.

Рассмотренное включение приборов позво- ляет использовать их в стабилизаторах и регуляторах напряжения и тока, выпрямителях.

Поменяв одновременно полярности источника параметрического тока и источника напряжения в соответствии с блок-схемой измере- ний, изображенной на рис.16.а, получим ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕ- ЛИСТОРа в в зависимости -IсвF-Uсв при -IавCONST. Режимы из- мерений -БИСПИНа Uсв-1 Всм Iсв50 мкАсм Rн5 кОм, Iав0,05 мАступ. Правой ВАХ соответствует Iав5 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uсв -2 Всм, Iсв1 мАсм, Rн5 кОм, Iав2 мАступ. Правой ВАХ соответствует Iав5 мА. Сдвиг характеристик в сторону отрицательных токов обусловлен запиранием p-n-перехода прикладываемым к нему обратным напряжени- ем Uсв. В обоих прииборах возникает неустойчивость тока, парамет- ры колебаний которой регулируются величиной параметрического тока через А-область.

Возможно использование приборов в качестве гене- раторов сигналов специальной формы.

Изменение направления параметрического тока в соответствии с блок-схемой измерений, изображенной на рис.17,а приводит к ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в, соответствущих зависимостей -IавF-Uав при IсвCONST, при следующих режимах измерений -БИСПИНа Uсв-0,5 Всм Iав0,2 мАсм Rн1 кОм, Iсв0,2 мАступ. Верхней ВАХ соответствует Iав2 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uсв -0,5 Всм, Iав0,1 мАсм, Rн1кОм, Iсв5 мАступ. Верхней ВАХ соответствует Iав50 мА. Полученные характеристики представляют собой обратную ветвь p-n-перехода, смещенную вдоль оси токов под воздействием парамет- рического тока через А-область и похожи на выходные характеристи- ки транзистора в схеме с общей базой при инверсном включении.

Бо- лее сильное влияние параметрического тока на характеристики БИС- ПИНа объясняются большим прямым сопротивлением А-области.

Подключая А-область приборов к источнику напряжения, p-об- ласть электрод С - к генератору тока согласно блок схеме рис.18,а, получим ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в, соответс- твующих зависимости -IавF-Uав при IсвCONST, при следующих ре- жимах измерений - БИСПИНа Uсв-0,5 Всм Iав0,1 мАсм Rн2 кОм, Iсв20 мкАступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uсв -0,5 Всм, Iав0,1 мАсм, Rн5кОм, Iсв50 мкАступ. Поскольку генератор параметрического тока подключен к p-n-переходу в прямом направлении, а источник напряжения разверт- ки к А-области в обратном, в приборах возникает неустойчивость тока. Наблюдаются N-образные характеристики А-области, сдвинутые вдоль оси токов. Управление параметрами неустойчивости тока можно осуществлять изменением напряжения Uав или тока Iсв. Данная схема включения обеспечивает устойчивую работу приборов в микрорежиме.

Приведенная на рис.19,а блок-схема включения позволяет по- лучить ВАХ б БИСПИНа пунктирная и ТУННЕЛИСТОРа сплошная со- ответствующие зависимости IавFUав при IсвCONST. и режиму из- мерений БИСПИНа и ТУННЕЛИСТОРа Uав1Всм Iав0,5 мАсм Rн500 Ом. При таком подключении получаем характеристику А-области n-p-n структуры БИСПИНа и характеристику контакта металл-тонкий окисел-полупроводник ТУННЕЛИСТОРа. При изменении величины Iсв ВАХ приборов практически не изменяются.

Неустойчивость тока не наблю- дается.

Такое подключение приборов может использоваться в схемах стабилизаторов напряжения, ограничителях, переключающих устройс- твах. Включение по блок-схеме, изображенной на рис.20,а, приводит к ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в, которые соответствуют зави- симости -IF-Uав при -IсвCONST. снятым при следующих режимах измерения -БИСПИНа Uав -2 Всм Iав1 мАсм Rн200 Ом, Iсв 0,2 мАступ. Левая характеристика соответствует Iсв1,0 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uав -2 Всм, Iав1 мАсм, Rн200 Ом, Iсв0,2 мАступ. Левая характеристика cоответствует Iсв1,0 мА. При рассматриваемых режимах работы приборов, на ВАХ наблюда- ются S-участки с ярко выраженной неустойчивостью тока. В БИСПИНе неустойчивость тока возникает при снижении Icв до 50 мкАступ. Приборы, включенные по данной блок-схеме могут быть исполь- зованы в качестве генератора сигнала специальной формы и управля- емых переключателей.

ВАХ зависимости IавFUав при -IсвCONST снятые по блок-схеме рис.21,а, изображены на рис.21,б для БИСПИНа и на рис.21,в для ТУННЕЛИСТОРа. Режимы измерений -БИСПИНа Uав1 Всм Iав0,5 мАсм Rн500 Ом, Iсв20 мАступ. Левая характеристика соответствует Iсв200 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uав 2 Всм, Iав1 мАсм, Rн50 Ом, Iсв10 мкАступ. При такой схеме измерения А-область оказывается включенной в прямом направлении, а p-n переход будет заперт.

Это приводит к модуляции внутреннего сопротивления А-области параметрическим то- ком. Однако, необходимо отметить, что при изменении Iсв от 0 до 120 мА ВАХ меняется слабо, о чем свидетельствует яркая вертикаль- ная характеристика на семействе ВАХ рис.21,б. При дальнейшем увеличении абсолютной величины параметрического тока, ВАХ сдвига- ются влево, в сторону уменьшения напряжения.

Крутизна ВАХ может изменяться в зависимости от величины сопротивления нагрузки.

ВАХ ТУННЕЛИСТОРа состоит из двух участков - нелинейного, со- ответствующего прямой ветви контакта металл-тонкий окисел-полуп- роводник, и линейного, относящегося к режиму полностью открытой А-области.

При возрастании параметрического тока точка перегиба ВАХ смещается вправо вверх. Неустойчивость тока при этом не воз- никает. Таким образом, при включении исследуемых приборов по схеме с общим электродом В и при подаче на электрод А отрицательного нап- ряения, независимо от полярности подключения или рода источника, с которым соединен контакт С p-область, в БИСПИНе и ТУННЕЛИСТО- Ре возникает неустойчивость тока, управление характеристиками ко- торой может осуществлятся величиной прикладываемого непосредс- твенно к контакту А напряжения или протекающего через него тока, а также величиной напряжения и тока во вторичной цепи приборов. 3.2 Семейства вольтамперных характеристик приборов вклыченных по схеме с общим А-электродом.

Приведенные ниже семейства ВАХ снимались по схеме с общим А-электродом и попеременно подаваемыми на В и С-электроды сигна- лами от генераторов тока и напряжения. Зависимости IсаFUса при -IваCONST рис.22б - БИСПИН, рис.22в - ТУННЕЛИСТОР снимались по блок-схеме рис.22а и режи- мах на -БИСПИНе Uса0,5 Всм Iса0,2 мАсм Rн2 кОм, Iва1 мАступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uса0,5 Всм, Iса0,1 мАсм, Rн5 кОм, Iва0,5 мАступ. В рассматриваемом режиме на А-область приборов подается от- рицательный потенциал одновременно от генератора параметрического тока и источника напряжения развертки, p-n-переход оказывается включен в прямом направлении, А-область - в обратном.

ВАХ обоих приборов имеет S-участки с неустойчивостью тока. У БИСПИНа при уменьшении Rн неустойчивость тока исчезает.

При увеличении Rн, например, до 5 кОм, неустойчивость не срывается при изменении Iва от 0,2 до 50 мАступ. При величинах параметрического тока равных 6-7 мА вертикальная линия, соответствующая участку ВАХ с устойчи- вым током, исчезает. Регулировка порога возникновения неустойчи- вости тока в ТУННЕЛИСТОРе может осуществляться изменением пара- метрического тока. Такая схема включения позволяет использовать приборы в качестве генераторов сигналов специальной формы и пе- реключателей.

На рис.23,а, изображена блок-схема снятия семейств ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в в соответствии с зависимостью IсаFUса при IваCONST. и режимах измерений -БИСПИНа Uса0,5 Всм Iса0,2 мАсм Rн2 кОм, Iва0,2 мАступ. Верхняя характеристика соответствует Iва1,4 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uса1 Всм, Iса1 мАсм, Rн1 кОм, Iва1 мАступ. Верхняя характеристика соответствует Iва9 мА. ВАХ обоих приборов определяются прямым параметрическим током Iва относительно А - области, открывающим ее, а также прямым то- ком Iса через p-n-переход.

Неустойчивость тока в этом случае не наблюдается. При увеличении параметрического тока Iва хаактерис- тики смещаются в сторону увеличения токов и одновременно все больше смещаются пологой частью ВАХ в сторону отрицательных нап- ряжений Uса. Причем, БИСПИН более чувствителен к изменению пара- метрического тока Iва и напряжения Uса, чем ТУННЕЛИСТОР. По блок-схеме рис.24,а, сняты семейства ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в, т.е. зависимости -IсаF-Uса при -IваCONST. Режимы измерений -БИСПИНа Uса -2 Всм Iса50 мкАсм Rн500 Ом, Iва2 мАступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uса -2 Всм, Iса10 мкАсм, Rн2 кОм, Iва2 мАступ. Формирование ВАХ приборов обусловлено тем, что для тока функцио- нальной зависимости Iса p-n-переход закрыт, а величина сопротив- ления закрытой А-области будет зависеть от величины обратного-за- пирающего - параметрического тока Iва. Поскольку у БИСПИНа струк- тура А-области многослойна n-p-n, то форма ВАХ определяется, в основном, этой областью.

Форма ВАХ ТУННЕЛИСТОРа в большей степени определяется величиной сопротивления p-n-перехода и незначительно зависит от сопротивления А-области.

Неустойчивость тока не наблю- дается. Изображенная на рис.25,а, блок-схема измерений позволяет получить ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в в соответствии с за- висимостью - IсаF-Uса при IваCONST. на следующих режимах изме- рений -БИСПИНа Uса -1 Всм Iса20 мкАсм Rн2 кОм, Iва20 мАступ. Изогнутой характеристике соответствует Iва60 мА, левая вертикальная ВАХ - Iва80 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uса -1 Всм, Iса50 мкАсм, Rн2 кОм, Iва2 мАступ. Верхняя ВАХ соответствует Iва18 мА. Семейства ВАХ исследуемых приборов по этой схеме включения определяются токами Iва и Iса c преобладающим влиянием последне- го, поскольку он протекает через закрытый p-n переход, а парамет- рический ток Iва течет в прямом направлении относительно контакта А-области.

У БИСПИНа при достижении параметрическим током величи- ны Iва60 мА наблюдаются характеристика последовательно включен- ных p-n-перехода и структуры А-области.

При дальнейшем повышении напряжения до 6 В происходит электрический пробой А-области. У ТУННЕЛИСТОРа наблюдается семейство смещенных вдоль оси токов и напряжений ВАХ p-n перехода. Неустойчивость тока не наблюдается. Проанализируем полученные при включении по блок-схеме рис.26,а ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в зависимости -IваFUва при IсаCONST. и режимах измерений -БИСПИНа Uва0,5 Всм Iва0,2 мАсм Rн1 кОм, Iса50 мкАступ. Верхняя характеристика соответствует Iса0,4 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uва 1 Всм, Iва50 мкАсм, Rн2 кОм, Iса50 мкАступ. Верхняя характеристика соответствует Iса200 мкА. На семействах ВАХ обоих исследуемых приборов наблюдаются участки N-типа что, особенно четко видно на первой характеристике ТУННЕЛИСТОРа, работающего в микрорежиме.

Начиная с некоторого значения параметрического тока на ВАХ возникают участки неустой- чивости тока, которые более интенсивно проявляются у БИСПИНа. Уп- равление неустойчивостью тока может осуществляться как величиной параметрического тока Iса, так и напряжением Uва. ВАХ, полученные при данном включении, по форме напоминают ВАХ исследуемых прибо- ров изображенные на рис.18. Это обусловлено тем, что направления соответствующих токов для обеих схем включения совпадают.

Незна- чительная разница ВАХ определена взаимодействием параметрического тока с сопротивлением А-области при рассматриваемом включении. Рассмотрим ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в, полученные по блок-схеме рис.27,а, зависимости IваF-Uва при IсаCONST, снятые при следующих режимах измерений -БИСПИНа Uва-0,2 Всм Iва0,2 мАсм Rн1 кОм, Iса0,2 мАступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uва -1 Всм, Iва0,2 мАсм, Rн2 кОм, Iса0,2 мАступ. У обоих семейств верхняя характеристика соответс- твует Iса1,6 мА. Семейства ВАХ приборов по приведенной схеме включения похожи на выходные коллекторные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ. По блок-схеме измерений рис.28,а получены семейства ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в зависимости -IваFUва при -IсаCONST. Режимы измерений -БИСПИНа Uва5 Всм Iва0,1 мАсм Rн5 кОм, Iса1 мАступ. Левая характеристика соответсвует Iса10 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uва 2 Всм, Iва0,1 мАсм, Rн5 кОм, Iса5 мАступ. Из ВАХ БИСПИНа следует, что пробой А-области наступает при Uва около 25 В. При возрастании тока Iса пробой наступает раньше.

ВАХ ТУННЕЛИСТОРа представляет собой обратную ветвь контакта по- лупроводник-диэлектрик окисел-металл.

Однако, из-за малой тол- щины окисла при напряжениях более 0,5 В характеристика контакта близка к характеристике омического контакта. Неустойчивость тока не наблюдается.

На рис.29,а, представлена блок-схема снятия ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в зависимости IваF-Uва при -IсаCONST. Режимы измерений -БИСПИНа Uва-1 Всм Iва0,5 мАсм Rн2 кОм, Iса1 мАступ. Левая характеристика снята при Iса5 мАступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uва -2 Всм, Iва2 мАсм, Rн1 кОм, Iса5 мАступ. Левая характеристика соответствует Iса35 мА ВАХ обоих приборов качественно практически не отличаются.

Незначительное количественное отличие обусловлено большими на- чальными токами ТУННЕЛИСТОРа. При увеличении Iса по абсолютной величине характеристики отклоняются влево. Неустойчивость тока не возникает. Таким образом, при включении исследуемых приборов по схеме с общей А-областью неустойчивость тока возникает только в том слу- чае, когда А-область подключена одновременно к отрицательным по- люсам генератора параметрического тока и источника напряжения развертки.

Причем безразлично, куда были подключены плюсовые клеммы этих источников - к В- или С-электродам. 3.3. Семейства вольт-амперных характеристик прибо- ров включенных по схеме с общим С-электродом. Приведенные в этом разделе семейства ВАХ получались при включении исследуемых приборов по схеме с общей p-областью электрод С и попеременно подключаемыми А- и В-электродами к ге- нераторам параметрического тока и напряжения развертки разной по- лярности.

Если плюс генератора напряжения соединить с В-электродом n-область, а минус генератора параметрического тока с элект- родом А активной областью относительно общего С-электрода в со- ответствии с блок-схемой рис.30,а, то получим зависимость -IвсFUвс при -IасCONST. и соответствующие ей ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в, снятые при следующих режимах измерений -БИСПИНа Uвс2 Всм Iвс0,5 мАсм Rн100 Ом, Iас0,5 мАступ. Верхняя ВАХ соответствует Iас5 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uвс0,2 Всм, Iвс50 мкАсм, Rн500 Ом, Iас50 мкАступ. Верхняя ВАХ соответствует Iса500 мкА. ВАХ представляют собой сдвинутые вдоль оси токов обратные ветви характеристик p-n-перехода, сопротивление которого модули- руется отпирающим прямым относительно p-области током, проте- кающим через В- и А-области. Относительно А-области параметри- ческий ток является обратным и, следовательно, вызывает в А-об- ласти неустойчивость тока. При увеличении Rн и снижении токов че- рез БИСПИН можно получить неустойчивость на всем семействе харак- теристик.

Управление неустойчивостью тока у ТУННЕЛИСТОРа, работа- ющего в микрорежиме, осуществляется величинами Rн и параметричес- кого тока. Начала ВАХ ТУННЕЛИСТОРа сдвинуты в отрицательную сто- рону оси напряжений.

На ВАХ обоих приборов неустойчивость тока наблюдается на участках характеристик N-типа. Изменив направление параметрического тока, подаваемого на электрод А, получим блок-схему измерений рис.31,а позволяю- щую снять ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в зависимости -IвсFUвс при IасCONST, что соответствует режимам иэмерений -БИСПИНа Uвс0,2 Всм Iвс20 мкАсм Rн500 Ом, Iас2 мАступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uвс 2 Всм, Iвс50 мкАсм, Rн500 Ом, Iса5 мАступ. В рассматриваемом случае параметрический ток является прямым для А-области и обратным запирающим для p-n-перехода, поэтому влияние его на общую характеристику p-n-перехода будет зависеть от соотношения, создаваемого им на p-n-переходе падения напряже- ния и прикладываемого напряжения развертки.

Очевидно, что это бу- дут ветви пробоя p-n-перехода, сдвигающиеся вправо, в область по- ложительных напряжений.

У БИСПИНа пробой p-n-перехода наступает при напряжении 35-40 В, которое практически не зависит от пара- метрического тока изменяется только величина обратного тока че- рез p-n-переход. У ТУННЕЛИСТОРа пробой p-n-перехода наступает с напряжения около 2 В и величина напряжения пробоя возрастает по мере увеличения параметрического тока. Наклон ВАХ существенно за- висит от величины сопротивления нагрузки.

ВАХ БИСПИНа в микрорежиме рис.32,б и совместные ВАХ БИС- ПИНа правая и ТУННЕЛИСТОРа рис.32,в зависимости IвсF-Uвс при IасCONST. получены по блок-схеме измерений, изображенной на рис.32,а и следующих режимах измерений -БИСПИНа Uвс -0,1 Всм Iвс50 мкАсм Rн1 кОм, Iас10 мкАступ. -БИСПИНа и ТУННЕЛЛИСТОРа Uвс -0,1 Всм, Iвс50 мкАсм, Rн1 кОм Очевидно, что ВАХ представляет собой прямые ветви p-n-пере- хода между В- и С-областями, промодулированные обратным током А-области, на которой в этом случае должна возникать неустойчи- вость тока. Это и наблюдается на ВАХ БИСПИНа при величинах пара- метрического тока 50-100 мкА. Дальнейшее увеличение параметричес- кого тока через БИСПИН приводит к ВАХ, изображенным на рис.16,б На ТУННЕЛИСТОРе неустойчивость тока при такой схеме включения и имеющихся режимах работы характериоскопа получить не удалось.

Оба исследуемых прибора при такой схеме подключения работают в микро- режиме. Рассмотрим результаты измерений по блок-схеме, изображенной на рис.33,а, позволяющей получить ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТО- Ра в в соответствии с зависимостью IвсF-Uвс при IасCONST и режимах работы -БИСПИНа Uвс -0,1 Всм Iвс0,2 мАсм Rн1 кОм, Iас20 мАступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uвс0,1 Всм, Iвс0,2 мАсм, Rн1 кОм, Iса0,2 мАступ. ВАХ p-n-переходов под воздействием запирающего параметричес- кого тока, смещаются вдоль оси токов.

ВАХ БИСПИНа смещается в сторону положительных напряжений. Неустойчивость тока не возника- ет. Оставив включенными исследуемые приборы по схеме с общим электродом С p-областью, подсоединим теперь электрод В n-об- ласть к генератору параметрического тока, а электрод А к источ- нику напряжения функциональной развертки и снимем ВАХ по блок-схеме рис.34,а. Получим для БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в характеристики зависимости IасFUас при IвсCONST, которые со- ответствуют режимам измерений -БИСПИНа Uас2 Всм Iас0,5 мАсм Rн2 кОм, Iвс5 мкАступ. Верхняя характеристика соответствует Iвс35 мкА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uас0,5 Всм, Iас0,1 мАсм, Rн2 кОм, Iса0,1 мАступ. Верхняя характеристика соответствует Iвс0.7 мА. ВАХ приборов снятые по данной блок-схеме, будут являться ре- зультатом взаимодействия прямого для А-области и обратного для p-n-перехода тока Iас с параметрическим током Iвс, проходящим че- рез p-n-переход в прямом направлении.

Очевидно, что для ТУННЕЛИС- ТОРа работающего в микрорежиме и имеющего малое прямое сопротив- ление А-области в прямом направлении, вид семейства вольт-ампер- ных характеристик будет определяться величиной сопротивления p-n-перехода.

У БИСПИНа, при запертом p-n-переходе, ВАХ принимают вид наклонных кривых и повторяют обратную ветвь диода.

При увели- чении тока Iвс, то есть при открывании p-n-перехода, наклонные линии семейства ВАХ переходят в практически вертикальную характе- ристику, которая теперь обусловлена прямой ветвью А-области рис.34,б Неустойчивости тока не возникает. Изменив полярность генератора тока, как указано на блок-схе- ме рис.35,а, Получим ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в, соот- ветствующие зависимости IасFUас при -IвсCONST и следующих ре- жимах измерений -БИСПИНа Uас2 Всм Iас0,5 мАсм Rн1 кОм, Iвс20 мкАступ. Левая характеристика соответствует Iвс100 мкА. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uас 1 Всм, Iас0,5 мАсм, Rн1 кОм, Iвс5 мАступ. В отличие от предыдущего случая форма ВАХ зависит от влияния на p-n-переход источника параметрического тока, подключенного к переходу обратной полярностью.

По мере запирания p-n перехода ха- рактеристика А-области БИСПИНа будет сдвигаться вдоль оси напря- жений влево, а обратная ветвь ВАХ p-n-перехода ТУННЕЛИСТОРа - вправо.

Рассмотрим снятые по блок-схеме на рис.36,а, ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в, представляющие зависимость -IасF-Uас при IвсCONST и следующих режимах измерений -БИСПИНа Uас -0,2 Всм Iас20 мкАсм Rн5 кОм, Iвс5 мкАступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uас -0,5 Всм, Iас0,1 мАсм, Rн5 кОм, Iвс1 мАступ. Генератор параметрического тока в этом случае подключен к p-n-переходу в прямом направлении, а источник напряжения разверт- ки - в прямом, по отношению к p-n-переходу и в обратном, по отно- шению к А-области, что должно привести к возникновению неустойчи- вости тока. Неустойчивость тока действительно наблюдается на ВАХ ТУННЕЛИСТОРа. На БИСПИНе, работающем в микрорежиме, при такой схеме включения и имеющихся режимах работы характериоскопа неус- тойчивости тока получить не удалось.

На ВАХ обоих исследуемых приборов отчетливо наблюдаются S-участки. Изменив полярность генератора тока, получим зависимость -IасF-Uас при -IвсCONST и проанализируем снятые по блок-схеме рис.37,а, ВАХ БИСПИНа б и ТУННЕЛИСТОРа в, измеренные при следующих режимах - БИСПИНа Uас-5 Всм Iас1 мАсм Rн5 кОм, Iвс5 мАступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа Uас -2 Всм, Iас0,5 мАсм, Rн2 кОм, Iвс0,5 мАступ. На ВАХ обоих приборов наблюдается неустойчивость тока. Ин- тенсивность колебаний в широком пределе управляется величиной то- ка параметрического генератора, включенного в n-область электрод В и ЭДС источника напряжения. На ВАХ имеются S-участки.

Таким образом, при включении исследуемых приборов по схеме с общей p-областью электрод С неустойчивость тока возникает в тех слу- чаях, когда активная А-область подключается к минусу источника тока или напряжения независимо от того, к какому полюсу соответс- твенно источника напряжения или тока будет подключена n-область электрод В. Д О К Л А Д Как известно полупроводниковые приборы имеют очень широкое распространение. Важное значение для применения и разработки но- вых приборов имеет исследование их характеристик и параметров.

Если бы о параметрах и характеристиках полупроводниковых приборов знало больше специалистов и новые приборы изучались на студенчес- кой скамье, то рациональное использование приборов было бы более успешным.

Зная специфику работы полупроводников, их параметры и характеристики, можно проанализировать дальнейшую судьбу изобре- тения, возможности и недостатки, возможную прибыль от применения и производства нового прибора. Однако для исследования параметов и характеристик полупроводников промышленностью выпускается не значительное количество очень дорогих измерительных приборов.

Цель дипломной работы - на основе модернизированного зару- бежного характериографа TR 4802 поставить лабораторную работу исследовательского характера, для практикума по физике полупро- водниковых приборов по исследованию вольт-амперных характеристик не только ставших широко известных полупроводниковых приборов ди- одов и транзисторов, но и абсолютно новых приборов разработанных и исследуемых на кафедре ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН, а также разрабо- тать методику выполнения лабораторной работы.

Наиболее универсальным среди приборов измеряющих параметры и харктеристики полупроводников являются характериографы. На кафед- ре имеются такие приборы, как отечественного, так и зарубежного производства. Характериограф TR-4802 из-за физической изношеннос- ти и конструктивных недостатков долгое время не использовался в научно-исследовательской работе.

Для постановки лабораторной ра- боты этот прибор наиболее подходит по своим техническим парамет- рам. Был произведен ремонт и модернизация прибора. В питающих це- пях прибора применены современные интегральные стабилизаторы нап- ряжения КР142ЕН12 и LM337T имеющие защиту от короткого замыкания и перегрева. Были заменены подстроечные резисторы т.к. они вноси- ли значительный вклад в неустойчивость работы прибора. Улучшены тепловые режимы выпрямительных диодов и стабилитронов. Разработанная методика выполнения лабораторной работы стро- ится по принципу от простого к сложному. Сначала студенты изу- чают теорию диодов и транзисторов, теоретические основы работы ТУННЕЛИСТОРа и БИСПИНа, затем учащиеся знакомятся с работой ха- рактериографа по настоящей инстукции, с техникой бесопасности и порядком ведения измерений. Следующим этапом - выполняя последо- вательно требования лабораторной работы студенты одновременно учатся практически работать с прибором и снимать вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов.

Для осуществления принципа от простого к сложному студент должен последовательно получить вольт-амперные характеристики резисторов, диодов, тран- зисторов, ТУННЕЛИСТОРов или БИСПИНов. С каждым последующим шагом в изучении учащемуся дается все больше свободы в выборе режима исследований.

При исследовании ТУННЕЛИСТОРов и БИСПИНов выполняю- щий задание может выбрать любой из 24 режимов включения приборов и исследовать полученные характеристики. В заключении даются контрольные вопросы для более глубокого ознакомления с изученным предметом.

О Т З Ы В на дипломную работу студента 6-го курса заочного отделения физического факультета КубГУ Калугина Валентина Лайошевича Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов и слоистых структур. В настоящее время полупроводниковые приборы получили широкое распространение и почти полностью вытеснили электровакуумные при- боры. Однако выпуск установок и приборов по измерению параметров полупроводниковых приборов очень ограничен.

Выпускавшиеся фирмой Орион ВНР характериографы, имеющие- ся на кафедре физики полупроводников, часто выходили из строя и в конечном итоге полностью оказались неработоспособными. Перед дипломником Калугиным В.Л. была поставлена задача вы- яснить причины неработоспособности прибора, устранить их, и на базе этого прибора разработать лабораторную работу по исследова- нию характеристик не только известных диодов и транзисторов, но и разработанных на кафедре физики полупроводников КубГУ новых функ- циональных приборов ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН. С поставленной задачей дипломник Калугин В. Л. успешно спра- вился.

Им выявлены неудачно спроэктированные узлы прибора и про- ведена их модернизация, восстановлена работоспособность прибора, сняты семейства характеристик транзисторов, туннелистора и бис- пина. На основе всего этого разработана новая лабораторная работа для студентов старших курсов по специальности Радиофизика и электроника.

В процессе выполнения дипломной работы Калугин В.Л. проявил себя как опытный экспериментатор, знающий современную практичес- кую полупроводниковую электронику. Следует отметить его добросо- вестное отношение к работе, проявление инициативы и самостоятель- ности. Считаю, что дипломная работа Калугина В.Л. заслуживает самой высокой оценки, а сам дипломник присвоения квалификации физик. Руководитель, Зав. кафедрой физики полупроводников, профессор Б.С.Муравский июня 1996 г. Р Е Ц Е Н З И Я на дипломную работу студента 6-го курса заочного отделения физического факультета КубГУ Калугина Валентина Лайошевича Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов и слоистых структур.

В связи с резким уменьшением производства лабораторного обо- рудования измерительных приборов, а также их высокой цены возни- кает необходимость модернизации имеющихся в физических лаборато- риях и применяемых для научных исследований приборов, а также разработка на этой основе новых лабораторных работ.

Именно этой задаче и посвящена дипломная работа Калугина В.Л. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, перечня литературы и содержит 71 страницу, 43 рисунка, 6 таблиц. В первой главе описано понятие вольт-амперной характеристи- ки, приведены основные параметры диодов и транзисторов, кратко изложена теория возникающих в транзисторах физических процессов и формулы Молла-Эберса. Также дано сравнение идеализированных и ре- альных вольт-амперных характеристик транзисторов.

Во второй главе описаны физические процессы происходящие в идеализированных и реальных контактах металл-полупроводник, при- ведены формулы описывающие эти процессы. Описаны новые полупро- водниковыфе приборы БИСПИН и ТУННЕЛИСТОР, объяснен принцип их ра- боты. В третьей главе подробно описаны методы измерения параметров и снятия вольт-амперных характеристик БИСПИНа и ТУННЕЛИСТОРа, приведены краткие объяснения физических процессов и их отражение на вольт-амперных характеристиках. Даны иллюстрации к каждому ре- жиму измерений.

В четвертой главе дана лабораторная работа с подробными ме- тодическими указаниями, описанием работы с прибором TR-4802, при- ведены иллюстрации измерений и техника безопасности при работе с прибором. Лабораторная работа построена таким образом, что внача- ле студенты исследуют менее сложные приборы, а затем приступают к исследованию сложных полупроводниковых структур. В заключении кратко подытожены результаты работы. В ходе выполнения работы Калугиным В.Л. проведена большая - 2 - по объему экспериментальная работа по выявлению недостатков и мо- дернизации характериографа TR-4802, на основе чего разработана новая лабораторная работа.

Очень важным является и то, что в пос- тавленной работе наряду с известными приборами исследуются прин- ципиально новые, разработанные на кафедре физики полупроводников КубГУ приборы ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН. Это способствует высокому современному уровню подготовки студентов по специальности Радио- физика и электроника, так как функциональная электроника являет- ся новейшей современной областью электроники и интенсивно разви- вается.

Считаю, что дипломная работы Калугина В.Л. заслуживает оцен- ки отлично Рецензент, доцент, к.ф м.наук Суятин Б.Д. июня 1996 г 3 4 5 6 7 8 - Л И Т Е Р А Т У Р А 1. А.с. 281651 СССР МПК Н 01 500. Полупроводниковый генератор Б.С.Муравский. В.И.Кузнецов. Заявл. 03.12.68 Опублик. 21.03.73. Бюл. N7. 2. Кнаб О.Д. БИСПИН - новый тип полупроводниковых приборов Электронная промышленность. 1989. N8. с.3-8. 3. Шалимова К.В. Физика полупроводников Изд. Энергия 1976. 4. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Москва, Энергия, 1973. 5. Муравский Б.С. Черный В.Н. Яманов И.Л. Потапов А.Н. Жужа М.А. Неравновесные электронные процессы в транзисторных структурах с туннельно-прозрачным окислом Микроэлектроника. 1989. т.18 N4. с.304-309. 6. Муравский Б.С. Кузнецов В.И. Фризен Г.И. Черный В.Н. Исследо- вание кинетики поверхностно-барьерной неустойчивости тока. Физика и техника полупроводников. 1972. т.6. N11. с.2114-2122. 7. Стриха В.И. Теоретические основы контакта металл-полупрово- дник. Киев. Наукова думка, 1974. 8. А.с. 1438537 СССР, МКИ Н01L 2942 Поверхностно-барьерный ге- нератор Б.С.Муравский, А.Н.Потапов, И.Л.Яманов.

Заявл. 30.12.86. 9. Муравский Б.С. Черный В.Н. Отчет о научно-исследовательской работе по теме Сравнительный анализ работы приборов биспин и туннелистор. КубГУ. Краснодар. 1989. 10. TR-4802. Характериограф для испытания полупроводников.

Техни- ческое описание и инструкция по эксплуатации. 11. Бессарабов Б.Ф Федюк В.Д Федюк Д.В Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы широкого применения.

Справочник. Воронеж. ИПФ Воронеж 1994. З А К Л Ю Ч Е Н И Е В результате проделанной работы 1. Изучена