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 ):
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИБОРЕ ТУННЕЛИСТОР.
2.0 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 [7].
Пусть имеются образцы металла и полупроводника n - типа с
плоскими поверхностями. При этом уровень Ферми в полупроводни-
ке может лежать как выше, так и ниже уровня Ферми в металле
Приведем образцы в идеальный (т.е. без зазора и слоя окисла
между ними) контакт. Если , то электроны в первый момент по-
текут преимущественно из полупроводника в металл. Металл зарядит-
ся отрицательно, а полупроводник - положительно, в результате че- го возникает контактная разность потенциалов Uк и электрическое поле, препятствующее переходу электронов из полупроводника в металл. Избыточный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми в металле и полупроводнике не выравняются, и не
установится динамическое равновесие, характеризуемое равенствомтоков эмиссии:
(2.1) следовательно, контактная разность потенциалов определяется выражением:
(2.2) где и термодинамические работы выхода электрона из металла
и полупроводника, определяемые как .
Контактная разность потенциалов полностью падает на приконтактной области полупроводника, так как в металл электрическое поле практически не проникает из-за высокой концентрации носителей.
Напряженность электрического поля в поверхностном слое полупроводника не превышает 10 в/см, а напряженность поля ионов кристаллической решетки составляет 10 в/см. Поэтому контактное поле не в состоянии изменять ширину запрещенной зоны полупроводника, зато обуславливает появление в его приконтактном слое изгиба энергетических зон на величину , причем в случае зоны будут искривлены кверху, (рис.9,а) При этом приконтактный слой обогатится дырками. Этот обогащенный неосновными носителями слой с пониженной удельной проводимостью называется запирающим.
3. СЕМЕЙСТВА ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПРИБОРОВ ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН [9].
Для снятия вольтамперных 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-область (база), А- область - генерирующий контакт. Там же обозначены знаками:
- ступенчатое изменение параметрического тока в положительную сторону,
- в отрицательную сторону,
- положительное или - отрицательное напряжение развертки на электродах измерительного прибора.
3.1. Семейство вольтамперных характеристик приборов 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 развертки и ступенчатый параметрический ток разной полярности.
ДОКЛАД
Как известно полупроводниковые приборы имеют очень широкое распространение. Важное значение для применения и разработки новых приборов имеет исследование их характеристик и параметров.
Если бы о параметрах и характеристиках полупроводниковых приборов знало больше специалистов и новые приборы изучались на студенческой скамье, то рациональное использование приборов было бы более успешным. Зная специфику работы полупроводников, их параметры и характеристики, можно проанализировать дальнейшую судьбу изобретения, 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 зарубежного характериографа TR 4802 поставить лабораторную работу 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 ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН, а также разработать методику выполнения лабораторной работы.
Наиболее универсальным среди приборов измеряющих параметры и харктеристики полупроводников являются характериографы. На кафедре имеются такие приборы, как отечественного, так и зарубежного производства. Характериограф TR-4802 из-за физической изношенности и конструктивных недостатков долгое время не использовался в научно-исследовательской работе. Для постановки лабораторной работы этот прибор наиболее подходит по своим техническим параметрам. Был произведен ремонт и модернизация прибора. В питающих цепях прибора применены современные интегральные стабилизаторы напряжения КР142ЕН12 и LM337T имеющие защиту от короткого замыкания и перегрева. Были заменены подстроечные резисторы т.к. они вносили значительный вклад в неустойчивость работы прибора. Улучшены тепловые режимы выпрямительных диодов и стабилитронов.Разработанная методика выполнения лабораторной работы строится по принципу "от простого к сложному" . Сначала студенты изучают теорию диодов и транзисторов, теоретические основы работы ТУННЕЛИСТОРа и БИСПИНа, затем учащиеся знакомятся с работой характериографа по настоящей инстукции, с техникой бесопасности и порядком ведения измерений. Следующим этапом - выполняя последовательно требования лабораторной работы студенты одновременно учатся практически работать с прибором и снимать вольтамперные характеристики полупроводниковых приборов. Для осуществления принципа "от простого к сложному" студент должен последовательно получить вольт-амперные характеристики резисторов, диодов, транзисторов, ТУННЕЛИСТОРов или БИСПИНов. С каждым последующим шагом в изучении учащемуся дается все больше свободы в выборе режима исследований. При исследовании ТУННЕЛИСТОРов и БИСПИНов выполняющий 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.