Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов и слоистых структур

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 01.04.

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.

я_Цель дипломной работыя. 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);