Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов и слоистых структур

С О Д Е Р Ж, А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ

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.