С О Д Е Р Ж А Н И Е ВВЕДЕНИЕ... 4 1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВДНИ
КОВЫХ ПРИБОРОВ. 5 1. 1 Идеализированные статические вольт-ампер ные характеристики транзисторов. 11 1. 2 Реальные статические вольт-амперные харак теристики транзимторов. 12 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИСХОДЯЩЩИЕ В ПРИБОРАХ
ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН. 15 2. 1 Идеальный контакт металл-полупроводник. 15 2. 2 Реальный контакт металл-полупроводник. 20 2. 3 Неустойчивость тока в транзисторной структуре с контактом металл-полупроводник. 24 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕМЕЙСТВА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПРИБОРОВ ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН. 28 3. 1 Семейство вольт-амперных характеристик приборов с общим В-электродом (базой). 28 3. 2 Семейство вольт-амперных характеристик приборов с общим А-электродом. 36 3. 3 Семейство вольт-амперных характеристик приборов с общим С-электродом. 45 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 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.
_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 [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 (на рис. 8 ).
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 ме талл. Избыточный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми в металле и полупроводнике не выравняются, и не установится динамическое равновесие, характеризуемое равенством токов эмиссии: (2. 1)
следовательно, контактная разность потенциалов определяется выра жением: (2. 2)
где и термодинамические работы выхода электрона из металла и полупроводника, определяемые как .
Контактная разность потенциалов полностью падает на прикон тактной области полупроводника, так как в металл электрическое поле практически не проникает из-за высокой концентрации носите лей.
Напряженность электрического поля в поверхностном слое по лупроводника 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 полупровод ника, зато обуславливает появление в его приконтактном слое изги ба энергетических зон на величину , причем в случае зо ны будут искривлены кверху, (рис. 9, а) При этом приконтактный слой обогатится дырками. Этот обогащенный неосновными носителями слой с пониженной удельной проводимостью называется запирающим.
В полупроводнике p - типа он возникает при (рис. 9, б) В случаях контакта металл-полупроводник n - типа при и контакта металл-полупроводник p - типа при
(рис. 9, в, г) приконтактная область обогащается основными носите лями и образуется слой с повышенной удельной проводимостью, кото рый называется антизапирающим.
Выясним, от каких параметров зависит толщина приконтактного слоя, т. е. глубина проникновения контактного поля в полупровод ник.
Предположим, что электрическое поле проникает в полупровод ник на некоторую глубину . В приконтактной области энергия электронов на дне зоны проводимости равна: (2. 3)
объемный заряд в приконтактной области определяется выражением: (2. 4)
Поскольку вся контактная разность потенциалов падает на при контактной области полупроводника, можно считать, что (2. 5) В этом случае выражение (2. 4) принимает вид: (2. 6)
Это означает, что на расстоянии , на которое проникает поле, из электронного полупроводника свободные электроны вытесняются, и в этой зоне остается положительный заряд, определяемый концентраци ей ионов примеси.
Для области объемного заряда уравнение Пуассона с учетом (2. 6) имеет вид: (2. 7) Общее решение этого уравнения: (2. 8)
Так как поле проникает в полупроводник только на глубину, то уравнение (2. 8) должно удовлетворять граничным условиям: (2. 9) С учетом (2. 9) находим: (2. 10)
Следовательно, в приконтактной области электростатический потен циал в зависимости от координаты меняется следующим образом: (2. 11)
Для определения величины используем граничные условия в точке : (2. 12)
Это уравнение позволяет получить из уравнения (2. 11) значение глу бины проникновения поля: (2. 13)
Из полученной формулы следует: чем меньше концентрация носи телей заряда в полупроводнике (т. е. степень его легирования) и, чем больше разность работ выхода электронов из металла и полупро водника, тем больше глубина проникновения в полупроводниик элект рического поля, вызванного контактной разностью потенциалов. 2. 2. Реальный контакт металл-полупроводник.
Все вышеприведенные рассуждения справедливы для случая, ког да поверхностные концентрации носителей заряда в полупроводнике не отличаются от объемных. В то же время само наличие поверхнос ти, т. е. обрыва межатомных связей в некоторой плоскости, можно рассматривать как двумерный дефект кристаллической решетки полуп роводника. Еще в 1932 г. И. Е. Тамм впервые показал, что обрыв пе риодического потенциала кристалла на поверхности допускает допол нительные решения уравнения Шредингера для электрона в кристалле, которые быстро затухают при удалении от поверхности. Это означа ет, что даже на идеальной, незагрязненной поверхности полупровод ника существует свой спектр локальных энергетических уровней (уровней Тамма), причем некоторые из них лежат в запрещенной зоне и выполняют роль ловушек. Кроме того, на поверхности полупровод ника в реальных условиях всегда образуется слой окисла и адсорби руется чужеродные атомы. Это приводит к появлению дополнительных энергетических уровней на поверхности. Таким образом, на реальной поверхности полупроводника всегда имеется спектр локальных уров ней, и его наличие существенно влияет на происходящие на поверх ности процессы.
Поверхностные уровни-ловушки находятся в запрещенной зоне, и попавшие в них электроны не могут проникнуть в глубь кристалла и локализуются на расстоянии одной-двух постоянных решетки от по верхности. Появление избыточного отрицательного заряда поверх ностных уровней (состояний) приводит к возникновению вблизи по верхности полупроводника нескомпенированного положительного заря да. Следовательно, на свободной поверхности полупроводника еще до контакта с металлом возникает искривление зон, и образуется запи рающий (рис. 10, а) или антизапирающий (рис. 10. б) слой.
Аналогичная картина имеет место и при преобладании на по верхности полупроводника не электронных, а дырочных ловушек, при чем в случае полупроводника n - типа - антизапирающим.
Вследствии этого в реальных контактах металл-полупроводник высота барьера может совершенно не зависеть от работы выхода электронов из металла.
Высота барьера на свободной поверхности определяется плотностью поверхностных состояний. Экпериментальные подтвержде ния этого впервые были получены в 1947 году Бардиным, а теорети ческие исследования проведены Таммом и Шокли. Высота барьера в этих условиях определяется равенством нулю полного заряда в при поверхностном слое и на поверхностных состояниях.
При контакте полупроводника n - типа с металлом при условии высота барьера увеличивается, а число электронов на поверхности уменьшается (рис. 11, а) И наоборот, при
высота барьера уменьшается, а число электронов на поверхностных состояниях увеличивается (рис. 11, б). Однако при большой плотности уровней на поверхности эти изменения высоты барьера будут незна чительны ( ). Рассмотрим протекание тока через такой контакт.
При наличии толстого изолирующего слоя окисла между металлом и полупроводником приложенное напряжение в основном падает на нем. Однако в выпрямляющих контактах этот диэлектрический зазор настолько тонок, что является прозрачным для электронов. Поэтому основное сопротивление для тока представляет запирающий слой, и почти всё внешние напряжение падает на этом слое. Это означает, что скачок уровня Ферми находится именно в приконтактном слое по лупроводника, а положение уровня Ферми на самой поверхности и в металле практически совпадают (рис. 12).
Так как заряд на поверхностных состояниях при протекании то ка заметно не изменяется, то высота барьера для электронов, иду щих из металла в полупроводник при включении внешнего напряжения, также остается постоянной. Поэтому теория выпрямления применима к любым контактам, независимо от того, создан запирающий слой кон тактной разностью потенциалов или зарядом, локализованных на по верхностных состояниях. Разница лишь в том, что высота барьера в первом случае равна разности термодинамических работ выхода, а во втором определяется положением поверхностных уровней на зонной диаграмме.
Итак, в реальном выпрямляющем контакте металл-полупроводник контактная разность потенциалов падает на зазоре (слое окисла), а приложенное напряжение - на запирающем слое полупро водника. 2. 3. 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 Iсв=F(Uсв) при -Iав=CONST и следующих режимах
-БИСПИНа: Uсв=0, 5 в/см, Iсв=0, 5 мА/см, Rн=200 Ом, Iав=0, 5 мА/ступ. Верхняя ВАХ соответствует Iав=3мА
-ТУННЕЛИСТОРа: Uсв=0, 5 В/см, Iсв=0, 5 мА/см, Rн=1 кОм, Iав=0, 5 мА/ступ. Верхняя ВАХ соответствует Iав=3 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: Uсв=0, 1В/см; Iсв=10 мкА/см; Rн=10 кОм; Iав=50-70 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 Iсв=F(Uсв) при Iав=CONST и режи мах измерений
-БИСПИНа: Uсв=0, 5 В/см, Iсв=0, 5 мА/см, Rн= 1 кОм, Iав=0, 2 мА/ступ.
-ТУННЕЛИСТОРа: Uсв=0, 2 В/см; Iсв=0, 2 мА/см; Rн= 1 кОм, Iав=0, 2 мА/ступ.
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 -Iсв=F(-Uсв) при -Iав=CONST. Режимы из мерений
-БИСПИНа: Uсв=-1 В/см; Iсв=50 мкА/см; Rн=5 кОм, Iав=0, 05 мА/ступ. Правой ВАХ соответствует Iав=5 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uсв= -2 В/см, Iсв=1 мА/см, Rн=5 кОм, Iав=2 мА/ступ. Правой ВАХ соответствует Iав=5 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 -Iав=F(-Uав) при Iсв=CONST, при следующих режимах измерений: -БИСПИНа: Uсв=-0, 5 В/см; Iав=0, 2 мА/см; Rн=1 кОм, Iсв=0, 2 мА/ступ. Верхней ВАХ соответствует Iав=2 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uсв= -0, 5 В/см, Iав=0, 1 мА/см, Rн=1кОм, Iсв=5 мА/ступ. Верхней ВАХ соответствует Iав=50 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 -Iав=F(-Uав) при Iсв=CONST, при следующих ре жимах измерений -БИСПИНа: Uсв=-0, 5 В/см; Iав=0, 1 мА/см; Rн=2 кОм, Iсв=20 мкА/ступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uсв= -0, 5 В/см, Iав=0, 1 мА/см, Rн=5кОм, Iсв=50 мкА/ступ.
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 Iав=F(Uав) при Iсв=CONST. и режиму из мерений:
БИСПИНа и ТУННЕЛИСТОРа: Uав=1В/см; Iав=0, 5 мА/см; Rн=500 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 -I=F(-Uав) при -Iсв=CONST. снятым при следующих режимах измерения: -БИСПИНа: Uав= -2 В/см; Iав=1 мА/см; Rн=200 Ом, Iсв= 0, 2 мА/ступ. Левая характеристика соответствует Iсв=1, 0 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uав= -2 В/см, Iав=1 мА/см, Rн=200 Ом, Iсв=0, 2 мА/ступ. Левая характеристика cоответствует Iсв=1, 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 мкА/ступ. Приборы, включенные по данной блок-схеме могут быть исполь зованы в качестве генератора сигнала специальной формы и управля емых переключателей.
ВАХ зависимости Iав=F(Uав) при -Iсв=CONST. , снятые по блок-схеме рис. 21, а, изображены на рис. 21, б для БИСПИНа и на рис. 21, в для ТУННЕЛИСТОРа. Режимы измерений: -БИСПИНа: Uав=1 В/см; Iав=0, 5 мА/см; Rн=500 Ом, Iсв=20 мА/ступ. Левая характеристика соответствует Iсв=200 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uав= 2 В/см, Iав=1 мА/см, Rн=50 Ом, Iсв=10 мкА/ступ.
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 Iса=F(Uса) при -Iва=CONST. , (рис. 22б - БИСПИН, рис. 22в - ТУННЕЛИСТОР) снимались по блок-схеме рис. 22а и режи мах на: -БИСПИНе: Uса=0, 5 В/см; Iса=0, 2 мА/см; Rн=2 кОм, Iва=1 мА/ступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uса=0, 5 В/см, Iса=0, 1 мА/см, Rн=5 кОм, Iва=0, 5 мА/ступ.
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 мА/ступ. 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 Iса=F(Uса) при Iва=CONST. и режимах измерений: -БИСПИНа: Uса=0, 5 В/см; Iса=0, 2 мА/см; Rн=2 кОм, Iва=0, 2 мА/ступ. Верхняя характеристика соответствует Iва=1, 4 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uса=1 В/см, Iса=1 мА/см, Rн=1 кОм, Iва=1 мА/ступ. Верхняя характеристика соответствует Iва=9 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 -Iса=F(-Uса) при -Iва=CONST. Режимы измерений -БИСПИНа: Uса= -2 В/см; Iса=50 мкА/см; Rн=500 Ом, Iва=2 мА/ступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uса= -2 В/см, Iса=10 мкА/см, Rн=2 кОм, Iва=2 мА/ступ.
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 -Iса=F(-Uса) при Iва=CONST. на следующих режимах изме рений: -БИСПИНа: Uса= -1 В/см; Iса=20 мкА/см; Rн=2 кОм, Iва=20 мА/ступ. Изогнутой характеристике соответствует Iва=60 мА, левая вертикальная ВАХ - Iва=80 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uса= -1 В/см, Iса=50 мкА/см, Rн=2 кОм, Iва=2 мА/ступ. Верхняя ВАХ соответствует Iва=18 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 Iва=60 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 -Iва=F(Uва) при Iса=CONST. и режимах измерений: -БИСПИНа: Uва=0, 5 В/см; Iва=0, 2 мА/см; Rн=1 кОм, Iса=50 мкА/ступ. Верхняя характеристика соответствует Iса=0, 4 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uва= 1 В/см, Iва=50 мкА/см, Rн=2 кОм, Iса=50 мкА/ступ. Верхняя характеристика соответствует Iса=200 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 Iва=F(-Uва) при Iса=CONST, снятые при следующих режимах измерений: -БИСПИНа: Uва=-0, 2 В/см; Iва=0, 2 мА/см; Rн=1 кОм, Iса=0, 2 мА/ступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uва= -1 В/см, Iва=0, 2 мА/см, Rн=2 кОм, Iса=0, 2 мА/ступ. У обоих семейств верхняя характеристика соответс твует Iса=1, 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 -Iва=F(Uва) при -Iса=CONST. Режимы измерений: -БИСПИНа: Uва=5 В/см; Iва=0, 1 мА/см; Rн=5 кОм, Iса=1 мА/ступ. Левая характеристика соответсвует Iса=10 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uва= 2 В/см, Iва=0, 1 мА/см, Rн=5 кОм, Iса=5 мА/ступ.
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 Iва=F(-Uва) при -Iса=CONST. Режимы измерений: -БИСПИНа: Uва=-1 В/см; Iва=0, 5 мА/см; Rн=2 кОм, Iса=1 мА/ступ. Левая характеристика снята при Iса=5 мА/ступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uва= -2 В/см, Iва=2 мА/см, Rн=1 кОм, Iса=5 мА/ступ. Левая характеристика соответствует Iса=35 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 -Iвс=F(Uвс) при -Iас=CONST. и соответствующие ей ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в), снятые при следующих режимах измерений: -БИСПИНа: Uвс=2 В/см; Iвс=0, 5 мА/см; Rн=100 Ом, Iас=0, 5 мА/ступ. Верхняя ВАХ соответствует Iас=5 мА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uвс=0, 2 В/см, Iвс=50 мкА/см, Rн=500 Ом, Iас=50 мкА/ступ. Верхняя ВАХ соответствует Iса=500 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 -Iвс=F(Uвс) при Iас=CONST, что соответствует режимам иэмерений: -БИСПИНа: Uвс=0, 2 В/см; Iвс=20 мкА/см; Rн=500 Ом, Iас=2 мА/ступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uвс= 2 В/см, Iвс=50 мкА/см, Rн=500 Ом, Iса=5 мА/ступ.
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 Iвс=F(-Uвс) при Iас=CONST. получены по блок-схеме измерений, изображенной на рис. 32, а и следующих режимах измерений: -БИСПИНа: Uвс= -0, 1 В/см; Iвс=50 мкА/см; Rн=1 кОм, Iас=10 мкА/ступ.
-БИСПИНа и ТУННЕЛЛИСТОРа: Uвс= -0, 1 В/см, Iвс=50 мкА/см, Rн=1 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 Iвс=F(-Uвс) при Iас=CONST и режимах работы: -БИСПИНа: Uвс= -0, 1 В/см; Iвс=0, 2 мА/см; Rн=1 кОм, Iас=20 мА/ступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uвс=0, 1 В/см, Iвс=0, 2 мА/см, Rн=1 кОм, Iса=0, 2 мА/ступ.
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 Iас=F(Uас) при Iвс=CONST, которые со ответствуют режимам измерений: -БИСПИНа: Uас=2 В/см; Iас=0, 5 мА/см; Rн=2 кОм, Iвс=5 мкА/ступ. Верхняя характеристика соответствует Iвс=35 мкА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uас=0, 5 В/см, Iас=0, 1 мА/см, Rн=2 кОм, Iса=0, 1 мА/ступ. Верхняя характеристика соответствует Iвс=0. 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 Iас=F(Uас) при -Iвс=CONST и следующих ре жимах измерений: -БИСПИНа: Uас=2 В/см; Iас=0, 5 мА/см; Rн=1 кОм, Iвс=20 мкА/ступ. Левая характеристика соответствует Iвс=100 мкА. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uас= 1 В/см, Iас=0, 5 мА/см, Rн=1 кОм, Iвс=5 мА/ступ.
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 -Iас=F(-Uас) при Iвс=CONST и следующих режимах измерений: -БИСПИНа: Uас= -0, 2 В/см; Iас=20 мкА/см; Rн=5 кОм, Iвс=5 мкА/ступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uас= -0, 5 В/см, Iас=0, 1 мА/см, Rн=5 кОм, Iвс=1 мА/ступ.
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 -Iас=F(-Uас) при -Iвс=CONST и проанализируем снятые по блок-схеме рис. 37, а, ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в), измеренные при следующих режимах: -БИСПИНа: Uас=-5 В/см; Iас=1 мА/см; Rн=5 кОм, Iвс=5 мА/ступ. -ТУННЕЛЛИСТОРа: Uас= -2 В/см, Iас=0, 5 мА/см, Rн=2 кОм, Iвс=0, 5 мА/ступ.
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 5/00. 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 29/42 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 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".