Порядок выполнение работы

Для студентов специальности 200800

”Конструирование и производство радиоэлектронных средств”

 

Москва 2003

 

-3-

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Выполнение лабораторных работ по курсу “Физические основы ос­новы микроэлектроники”, ставит своей целью закрепление теоретических знаний, полученных сту­дентами в лекционном курсе, а также приобретение навыков само­стоятельных научных исследований при обучении по специально­сти 200800 “Конструирование и технология радиоэлектронных средств”.

Целью лабораторных работ является изучение физических явлений в полупроводниковых структурах, являющихся элементами и ком­понентами конструкций радиоэлектронных устройств, овладение математическим аппаратом, описывающим эти явления, и развитие способностей нахождения взаимосвязей между физическими явле­ниями и конструкциями устройств. Кроме того, полученные сведе­ния позволяют определить нежелательные эффекты в структурах, ко­торые необходимо учитывать при разработке устройств, особенно микроэлектронных, что приобретает существенное значение в под­готовке конструктора-технолога радиоэлектронных средств.

При подготовке к лабораторным работам студентам необходимо, прежде всего, самостоятельно проработать теоретический материал, продумать порядок выполнения работы, ответить на вопросы, пред­лагаемые в описании к работе. В лаборатории студенты выполняют экспериментальную часть работы и представляют преподавателю протокол один на бригаду. Работа считается выполненной после подписания протокола преподавателем. Обработка результатов может производится в процессе выполнения домашнего задания. В содержание отчета необходимо включить обработку и статистический анализ полученных экспе­риментальных результатов. Отчеты представляются индивидуально каждым студентом.

Для защиты лабораторной работы необходимо представить преподавателю отчет и ответить на предлагаемые вопросы.

 

- 4 -

 

Лабораторная работа № 1

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕМНИЕВЫХ И ГЕРМАНИЕ­ВЫХ Р-П ПЕРЕХОДОВ И ИХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМО­СТЕЙ

 

1. Цель работы:

Исследование реальной вольт-амперной характеристики, определе­ние температурных зависимостей параметров кремниевых и герма­ниевых диодов.

 

2. Вопросы для подготовки:

2. 1. Объясните физические принципы выпрямления тока на р-п пе­реходе, используя зонные диаграммы р-п перехода:

а) в равновесном состоянии;

б) при подаче прямого внешнего смещения;

в) при подаче внешнего обратного смещения;

2.2. Изобразите распределение концентраций свободных носителей в р-п переходе при подаче прямого и обратного смещений. Какая область по определению принимается за базу, какая за эмиттер?

2.3. Напишите основное уравнение диода и ВАХ диода.

2. 4. Каким образом, по-вашему, будет меняться ВАХ при повышении температуры? Изобразите несколько ВАХ при различных темпера­турах на одном графике.

2.5 Какова физическая природа обратного тока I_s р-п перехода?

 

3. Описание макета лабораторной установки для измерения вольт-амперных характеристик р-п переходов и порядок выполнения работы:

Основной блок лабораторного макета включает в себя регулируе­мый источник питания, стабилизованный по току G (рис.1). Напряжения питания цепи диода изменяется ступенчато в диапазоне 0-5 В с помощью переключателя, расположенного на верхней панели блока. Последовательно с диодами VD1 и VD2 включен нагрузочный резистор R_н , равный 10 Ом, падение напряже-

- 5 -

ния на котором измеряется с помощью вольт-амперметра Р2. Нагрузочное сопротивле­ние играет одновременно и роль токового сопротивления и служит для измерения тока диода. Напряжение на р-п переходе измеряется с помощью второго вольт-амперметра того же типа Р1. Переключе­ние диодов происходит с помощью двухпозиционного переключа­теля SA1 на передней панели блока. Включение блока в сеть осу­ществляется выключателем SA2. Диоды VD1 и VD2 помещены в камеру нагревательной резистивной электропечи с термостатом. Установка температуры производится с помощью регулятора, расположенного на лицевой панели электропечи. Измерение тем­пературы производится с помощью термопары, к которой прилага­ется градуировочный график.

 

3.1. Включите приборы. Дайте им прогреться в течение 20 мин.

3.2.Выставьте переключатель SA1 на диод VD1.

3.3.Изменяя напряжение на диоде VD2 с помощью переключателя G, измеряйте напряжение и ток на диоде VD1.

3.4.Повторите измерения на диоде VD2.

3.5.Запишите температуру, при которой проводились измерения (комнатную температуру).

3.6.Установите температуру последовательно 40, 60, 80, 100 ºС.

3.7.Для каждой температуры снимите ВАХ на диоде VD1 и VD2. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

T ° C	ВАХ (точки 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10)
	VD1	I, A
U, B
VD2	I, А
U,В
	VD1	I, А
		U, В
VD2	I, А
		U, В

- 6 -

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.Функциональная схема лабораторного макета установки для снятия вольт-амперных характеристик р-п переходов:

 

1 - измеритель температуры; 2 - нагревательная камера с тер­мостатом; 3 - блок источника питания и коммутации; P1 – вольт-амперметр для измерения напряжения на переходе (В7-27); P2 – вольт-амперметр для измерения падения напряжения на сопро­тивлении нагрузки (В7-27); G - регулируемый источник питания;VD1 - кремниевый диод (Д226В); VD2 - германиевый диод (Д2); SA1 - переключатель диодов; SA - выключатель; F1 - предохранитель

 

 

4. Обработка и анализ результатов:

4.1. Постройте семейство ВАХ при различных температурах для: а) кремниевого диода; б) для германиевого диода. Почему на­клон кривых ВАХ различный для кремния и германия?

 

- 7 -

4.2. Определение температурной зависимости сопротивления

базы.

В реальных несимметричных диодах инжекция имеет односторо­нний характер: неосновные носители инжектируются из низкоом­ного слоя (эмиттера) в высокоомный (базу). Низкоомным сопро­тивлением эмиттера даже при относительно больших токах, проте­кающих через р-п переход, при анализе реальной ВАХ можно пре­небречь. Падение напряжение на базе U_б = I · r_б необходимо вводить как поправку в формулу ВАХ идеального диода, поскольку реальное напряжение U_р-п собственно на р-п пере­ходе меньше внешнего приложенного напряжения U на величину I * r_б

I =I_S exp - I_S (1)

q

 

U = Ln + 1 + I · r_б = Up-n + I · r_б (2)

 

 

В области малых токов падение напряжения U_б мало, и им можно пренебречь. С увеличением тока U_б растет линейно, а напряжение U логарифмически, т.е. более слабо. Начиная с некоторого, достаточно большого тока напряжение U_б начинает превалировать и экспоненциальная характеристика вырождается. Вырожденный участок характеристики р-п перехода называется омическим, и он в полулогарифмическом масштабе имеет меньший наклон. Ток вы­рождения

 

I_в =; jT =. (3)

 

При токе I_в падение напряжения на базе

 

U_б = I_в · r_б = jT (4)

 

 

- 8 -

4.3. Постройте ВАХ для каждой температуры в полулогарифмиче­ском масштабе U = f (- lnI).

4.3.1. Определите точку, начиная с которой экспоненциальной участок зави­симости начинает вырождаться и переходит в омический уча­сток. В этой точке графика значение тока вырождения равно I_в.

4.3.2. Рассчитайте сопротивление базы r_Б для каждой температуры и каждого диода по формуле (3).

4.3.3. Постройте графики зависимости r_Б = f (T) для кремниевого и герма­ниевого диодов.

4.3.4. Объясните характер полученных кривых.

 

4.4. Определение обратного тока и m - фактора.

Обратный ток р-п перехода не остается постоянным и равным I_s, как это следует из основного уравнения диода. Обратный ток имеет следующие составляющие, зависящие от температуры:

а) тепловой ток, обусловленный генерацией носителей в объемах SL_n, и SL_p, прилегающих к р-п переходу

	a(T - T0)

I₀(T) » I₀ (T₀) e, (5)

	-1		-1

где aSi » 0.13 град, aGe » 0.09 град. (6)

 

б) ток термогенерации, который возникает, когда скорость генера­ции свободных носителей превышает скорость рекомбинации, на­пример, из-за повышения температуры. Перенос генерированных носителей электрическим полем и создает ток термогенерации

	a' (T - T0)

IGe(T) » IGe (T0) e, (7)

	-1		-1

где a' Si » 0.03 град a' Ge » 0.05 град. (8)

 

Реальная характеристика с учетом этих особенностей имеет вид:

 

- 9 -

I = I_S exp - I_S, (9)

 

где m - масштабный коэффициент, учитывающий отклонение ВАХ р-п перехода от идеального закона.

 

4.4.1. Наклон прямолинейного участка ВАХ в полулогарифмиче­ском масштабе определит значение m jT, а пересечение с осью абсцисс определяет значение lnI_s. Для аналитического расчета необходимо иметь две точки (lnI₁, U₁) и (lnI₂, U₂),лежащие на прямо­линейном участке,

m jT =, (10)

 

I_S =I₁ exp -. (11)

 

 

 

Рис.2. Определение параметров I_s, m вольт-амперной характери­стики р-п перехода.

	T

4.4.1. Постройте график зависимости m = f (T); Ln I_S = f ().

4.4.2. Определите значение коэффициента a.

 

- 10 -

		a (T - T0)
	IS (T) IS (T0)
			IS (T) IS (T0)
				a (T - T0)

 

= e, Ln =

 

 

Сравните полученные значения со значениями (6) и (8). Какая со­ставляющая обратного тока преобладает в германиевом диоде? в кремниевом диоде?

Таблица 2

 

T	jT	IB	rб	mjT	m	Ln IS	1/T

 

 

Список литературы

 

1. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1997.

 

 

Лабораторная работа № 2

 

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПОЛУПРО­ВОДНИКОВЫХ Р-П ПЕРЕХОДОВ.

1. Цель работы:

Изучение основных физических закономерностей определяющих свойства и параметры фотодиодов, исследование вольт-амперных, световых и инерционных характеристик этих приборов.

 

2. Вопросы для подготовки:

2.1. Назначение фотоэлектрических приборов и области их применения.

2.2.

 

- 11 -

2.3. Фотоэлектрические явления в р-п переходе. Генерация неравно­весных носителей заряда в полупроводниках при воздействии света.

2.4. Фотоэлектрическая движущая сила.

2.5. Фотодиодный и вентильные режимы работы фотодиода.

2.6. Импульсные (инерционные) свойства р-п перехода и их влия­ние на время релаксации фото - ЭДС и тока.

2.7. Время жизни неравновесных носителей.

2.8. Спектральная характеристика р-п перехода, спектральная и ин­тегральная чувствительности фотодиода.

 

3. Указания по выполнению работы:

3.1. Ознакомиться со схемой и макетом лабораторной установки (рис.3), которая состоит из трех специальных блоков, вольтметра и осциллографа.

В состав блока № 1 входят осветитель HL1, фотодиод VD1, механизм изменения расстояния l_x между осветителем и фотодио­дом. На задней стороне блока расположены гнезда для подключе­ния блока № 2 и напряжения питания осветителя. Расстояние ме­жду источником света и фотодиодом можно изменять при помощи ручки, расположенной слева. Отсчет расстояния производится по шкале, расположенной на лицевой части блока. Блок № 2 предна­значен для управления режимом работы фотодиода и получения двух фиксированных значений напряжения на фотодиоде. С левой стороны блока расположены контактные штыри, предназначенные для сочленения с блоком № 1. В верхней части блока расположены гнезда для подключения микроамперметра и напряжения 12 В.

Блок № 3 позволяет изучать динамические характеристики фото­диода. Он состоит из генератора прямоугольных импульсов, усилителя мощности, светодиода, излучающего прямоугольные световые импульсы большой крутизны, и фотодиода. В состав блока входит также источник питания, вырабатывающий напряже­ния 6,3В и 12В для питания блоков № 1 и № 2. На лицевой панели

 

- 12 -

 

 

 

Рис.3. Функциональная схема установки для изучения фотоэлектрических свойств р-п перехода: HL1- источник света (лампа накаливания);

VD1 - фотодиод; SA1 - переключатель режима работы; Р1 – вольт-амперметр; G1 - источник питания; G2 - генератор импульсов; VD2 - светодиод; VD3 - фотодиод; R1 - потенциометр нагрузки фотодиода; Р2 - осциллограф.

- 13 -

блока расположены выключатель питания, гнезда источника пита­ния 6,3В и 12В, гнезда для подключения осциллографа к выводам фотодиода и потенциометра, с помощью которого можно изме­нять сопротивления нагрузки фотодиода, работающего в вентиль­ном режиме от 120 Ом до 1,6 кОм. На задней стенке блока распо­ложены держатели предохранителей и клемма заземления.

 

4. Порядок проведения работы:

4.1. Собрать лабораторную установку согласно схеме рис.3, уде­лив особое внимание правильному соединению гнезд 12В между блоками № 2 и 3.

4.2. С разрешения преподавателя или лаборанта включить приборы и блок № 3 и дать им прогреться 20-30 мин.

4.3. Откалибровать приборы, используемые в работе.

4.4. Построение вольт-амперной характеристики фотодиодав темновом режиме. Переключатель режимов работы (блок № 2) поставить в поло­жение ВАХ (вольт-амперная характеристика), пределы измерения амперметра установить равными 1 мА. Отключить осветитель, вынув соединительные провода из гнезд 6,3 В блока № 3.Изменяя переключателем напряжение на фотодиоде от -10 до 0,2 В, считывать показания амперметра, измеряющего ток через фотодиод при световом потоке Ф = 0. Результаты измерения занести в таблицу 1 (таблицу продумайте самостоятельно).

4.5. Построение ВАХ фотодиода в режиме освещения. Вращая рукоятку на блоке № 1, установить расстояние между осветителем и фотодиодом l = 8 см. Включить осветитель. Про­вести измерения, описанные в пункте 4.4 при световом потоке Ф=Ф_о. Установить расстояние между осветителем и фотодиодом l = 5 см и l = 2 см, провести измерения, описанные в п.4.4 при световых потоках Ф=2,56Ф_о и Ф=16Ф_о соответственно. Результаты измерения занести в таблицу 1.

4.6. ВАХ в ФД- режиме. Переключатель режимов работы на блоке № 2 поставить в по­ложение ФД. Установить напряжение на фотодиоде -2В при по­мощи соответствующего переключателя.Выключить осветитель. Переключатель пределов из-

 

- 14 -

мерения миллиамперметра поставить в положение 100 мкА. Считать показания миллиамперметра, изме­ряющего ток через фотодиод при световом потоке Ф=0. Устано­вить напряжение на фотодиоде -5В и -10В, считывать соответст­вующие показания миллиамперметра. Результаты измерения занести в таблицу 2 (таблицу 2 продумать самостоятельно).

4.7. Включить осветитель. Вращая рукоятку на блоке № 1, устано­вить расстояние между осветителем и фотодиодом l = 8см. По­очередно устанавливая напряжение на фотодиоде -2В, -5В,- 10В, считывая соответствующие показания прибора, измеряю­щего ток через фотодиод при световом потоке Ф = Ф_о. Резуль­таты измерения занести в таблицу 2.

4.8. Измерение световых характеристик фотодиода. Вращая рукоятку на блоке № 1, поочередно устанавливать рас­стояние между осветителем и фотодиодом l = 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 см. Для каждого значения выполнить операции по измерению тока через фотодиод при трех напряжениях, описанных в п.4.7. При l = 8 см прибор перевести на предел 1мА. Световой по­ток при изменении расстояния между осветителем и фотодиодом вычисляется по формуле

Ф = Ф_о (),

 

где l_о - расстояние между осветителем и фотодиодом, равное 8 см

Ф_о - световой поток при расстоянии между осветителем и фотодио­дом, равном 8см; l _i =7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 см. Полученные результаты занести в таблицу 2 и построить 3 х-ки I_д = f(Ф), где U_д - параметр –2В, -5В и –10 В.

4.9. Установить на приборе предел измерения 1 мА. Отклю­чить осветитель.

4.10. Световые характеристики в вентильном режиме. Переключатель режимов работы на блоке № 2 перевести в по­ложение “B” (R_н= 1кOм) вентильный режим работы при сопротив­лении нагрузки 1 кOм, а затем пе­реключатель режима работы перевести в положение “B (R_н=0)” - вентильный режим короткого замыкания.

 

 

- 15 -

4.11. Включить осветитель. Вращая рукоятку на блоке № 1, изме­нять расстояние между осветителем и фотодиодом от l = 8 см до l = 1 см. При этом в точках l =8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 см измерять значения токов в цепи фотодиода сначала при R_н = 1 кОм, а затем при R_н = 0. Результаты измерения занести в таблицу 3 (таблицу продумать самостоятельно). В результате данного опыта должны быть получены 2 характеристики I_д = f(Ф)

4.12. Вращением ручки “Уровень синхронизации” на осциллографе добиться устойчивого изображения последовательности им­пульсов. Изменяя сопротивление нагрузки фотодиода (блок №3), убедиться в наличии барьерной емкости фотодиода. Поста­вить регулятор сопротивления нагрузки фотодиода в крайнее ле­вое положение. При этом влияние барьерной емкости на пере­ходные процессы в фотодиоде будет минимальным. Зарисовать в масштабе полученное изображение.

 

 

5. Обработка и анализ результатов:

5.1. Постройте вольт-амперные характеристики фотодиода при че­тырех различных световых потоках Ф.

5.2. Постройте световую характеристику I_f (Ф) фотодиода в фото­диодном режиме при трех напряжениях на фотодиоде.

Световая характеристика строго линейна

 

I_f = KФ, (1)

 

где К - интегральная чувствительность фотодиода.

5.3. Из графиков световой чувствительности п.5.2 определите инте­гральную чувствительность фотодиода.

5.4. Постройте световую характеристику фотодиода в вентильном режиме короткого замыкания и при сопротивлении нагрузки 1 коМ. Почему световая характеристика отклоняется от линейного закона (1)?

5.5. Определить время жизни неосновных носителей по осциллограмме кривой релаксации фото-ЭДС в вентильном режиме. По

 

 

- 16 -

кривой, соответствующей диоду вентильной фото-ЭДС, можно определить время жизни дырок в базе tP:

 

j = j0 + - jT.

 

 

Время жизни можно определить по наклону прямой уменьшения фото-ЭДС. Пологая, что за время D t, фото-ЭДС измениться на

D j = φ₀/2,73.

	D t D j

tP = jT

 

 

 

= 1

i₀ φ₀

 

Δi Δφ

 

 

Рис. 4. Световой импульс Ф(t), осциллограмма импульса тока в цепи фотодиода i(t) и импульс напряжения (фото-ЭДС, φ[t])

 

 

Список литературы:

 

1. Г. И. Епифанов, Ю. А. Мома. Твердотельная электроника. - М.:Сов.радио,1966.

2. Паньков. Ж. Оптические процессы в полупроводниках / Пер. с англ. под ред. Ж. И. Алферова и В. С. Вавилова. - М.: Мир, 1973.

 

- 17 -

 

Лабораторная работа № 3

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРУКТУРЫМЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК МЕТОДОМ CV-МЕТРИИ.

 

1. Цель работы:

Экспериментальное определение поверхностного заряда в плоскости поверхностных состояний, приведенных к границе раздела Si - SiO₂ в структуре металл - диэлектрик - полупроводник.

 

2. Вопросы для подготовки:

2.1. Дайте определение поверхностных состояний. В чем причина появления поверхностных состояний на границе раздела?

2.2. Нарисуйте зонные диаграммы МДП-структуры при обеднении, обогащении и инверсии приповерхностного слоя полупроводника.

2.3. Нарисуйте CV- характеристику МДП-структуры.

2.4. Какие физические параметры позволяет определить метод вольт-фарадных CV - характеристик?

2.5. Чему соответствует минимум кривой на CV - характеристике МДП-структуры?

2.6. Как влияет частота измерительного сигнала на CV - характеристику?

2.7. Почему измерение эффекта необходимо проводить на тонких образцах?

 

3. Описание макета и методика измерений:

Макет состоит из измерителя емкости Е7-21, источника питания и контактного устройства для МДП-структуры.

МДП-структура представляет собой полупроводниковую пластинку, окисленную с одной стороны. Толщина диэлектрической пленки 1000-2000 А. Поверх окисла напыляется металлический электрод. С обратной стороны пластины имеется омический контакт (рис.5).

- 18 -

 

	SiO2

 

Рис. 5. МДП-структура

 

 

 

 

3-металлическая игла

2-окисел SiO₂

1 - полупроводник Si

4 - контакты

 

 

Рис. 6. Контактное устройство к МДП-структуре

 

Контактное устройство показано на рис.6. Изменение полярности сигнала, подаваемого на МДП-структуру, осуществляется

 

- 19 -

 

сменой полярности на контактном устройстве. Для этого контактное устройство легко извлекается из гнезда. 1 - полупроводник Si, 2 - окисел SiO₂, 3 - металлическая игла. 4 - контакты.

Общий вид макета показан на рис. 7.

 

 

 

 

Рис. 7. Лабораторный макет для снятия CV- характеристики: 1 - четырехполюсник согласующий; 2 - пульт установки смещения

 

Геометрические размеры контактной площадки МДП-структуры измеряются на измерительном микроскопе.

 

Порядок выполнение работы

4.1. Ознакомиться по функциональной схеме с расположением приборов макета на лабораторном столе.

4.2. Включить прибор измерения емкости Е2-21 и дать ему прогреться в течение 20 минут.

4.3. Установить зонд на алюминиевый контакт МДП-структуры.

4.4. Изменяя напряжение на образце, снять CV - характеристику. Учитывая, что эффект поля для тонкой пленки наблюдаются в интервале смещений от -2 до +2 В, следует в этом интервале изменять напряжение с шагом 0,1 В. Максимальное напряжение 20В. Измеряемые значения напряжения и емкостей заносить в таблицу 1.

- 20 -

Таблица 1

 

U, B	- 20 … 0 … + 20
C, nФ
С/Сo

 

 

4.1. Повторить измерения для нескольких образцов МДП-структуры по указанию преподавателя.

4.2. С помощью микроскопа измерить площадь S_к контактной площадки.

 

5. Анализ и обработка результатов эксперимента:

5.1. Построить вольт-фарадные характеристики измеренных структур. МДП - структура представляет собой плоский конденсатор, емкость которого не зависит от заряда на обкладках и определяется по формуле плоского конденсатора

Co =, (1)

 

где do - толщина слоя диэлектрика; Ed - диэлектрическая проницаемость диэлектрика для SiO₂ Ed = 3,5 - 4, Eo - диэлектрическая проницаемость вакуума Eo = 8,85 10 ф/м.

 

Mеталл Д полупр. Металл Д полупр.

 

 

 

 

При приложении внешнего поля (рис.8а, прямое смещение) емкость МДП-структуры не меняется и определяется только толщиной слоя диэлектрика.

5.2. Определить из CV- характеристики емкость С_о; определить толщину слоя диэлектрика.

При изменении полярности приложенного напряжения (рис.8б, обратное смещение) электроны выталкиваются внешним полем вглубь полупроводника, вследствие чего в приповерхностном слое образуется неподвижный положительный заряд ионизированных доноров (акцепторов):

 

 

Q_SS = q N_g d_S, (2)

 

где N_g- концентрация доноров (акцепторов);

d_s - толщина слоя объемного заряда (порядка 10 ³ межатомных

расстояний).

Емкость такой структуры определяется как емкость двух последовательно соединенных конденсаторов:

 

 

	CМДП		C0		CS

= +; C_S = E_П E₀ S_K / d_S (3)

 

 

E_П = 12 (для Si), С_S - емкость обедненного слоя.

 

Таким образом, в состоянии обеднения емкость МДП-структуры уменьшается с ростом приложенного напряжения (рис.8 б).

5.3. определить из CV - характеристики толщину обедненного слоя.

При увеличении обратного смещения к отрицательно заряженному металлическому электроду начинают притягиваться неосновные носители, вследствие чего наступает инверсия типа проводимости, т.е. изменение типа проводимости. Толщина обедненного слоя уменьшается, емкость МДП-структуры увеличивается вплоть до значения С_о (рис.9).

Подобная CV характеристика получается для малого низкочастотного сигнала, наложенного на постоянное смещение. В данном эксперименте измерения проводятся на частоте сигнала порядка 1Мгц. Поэтому толщина обедненного слоя с момента возникновения инверсии типа проводимости не изменяется.

 

 

 

 

 

 

Рис.9.

 

5.3.1. Из CV- характеристики определите емкость МДП-структуры в момент возникновение инверсии.

5.3.2. Определите емкость обедненного слоя по формуле (3).

5.3.3. Определите толщину обедненного слоя по формуле (3).

5.4 Определите величину и знак заряда на границе раздела полупроводник - диэлектрик.

Существование поверхностных состояний на границе раздела (уровни Шокли, уровни Тамма, кислородные вакансии в диэлектрике) приводит к возникновению поверхностного заряда и изгиба зон даже в отсутствии внешнего смещения, поэтому на экспериментальной CV характеристике инверсия типа проводимости возникает в зависимости от знака поверхностного заряда при меньшем или большем напряжении обратного смещения по отношению к теоретической кривой.

5.4.1. Построить графики зависимости С/С_о от приложенного смещения.

5.4.2.Определить напряжение плоских зон (рис.10).

С/С_о

 

DV_{П. З.}

 

 

V

 

Рис.10. Определение напряжения плоских зон.

5.4.3. Исходя из относительного сдвига теоретической и экспериментальной кривых, определить знак суммарного поверхностного заряда Q на границе раздела S = SiO₂. Объяснить полученный результат.

 

Список литературы:

Г. И. Епифанов, Ю. А. Мома. Твердотельная электроника. - М: Высшая школа, 1986.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКА МЕТОДОМ ХОЛЛ-ЭФФЕКТА.

 

1. Цель работы

Экспериментальное определение типа проводимости, механизма рассеяния, удельной проводимости, дрейфовой и холловской подвижности методом Холл - эффекта.

2. Вопросы для подготовки

2.1. В чем заключается эффект Холла?

2.2. Дайте определение коэффициента Холла, угла Холла, Холл - фактора

 

G2

 

V P1 + - A PA1

 

 

 

 

R_M

 

 

 

+ - G1 P2 mV

 

 

Рис.11. Лабораторный макет для исследования эффекта Холла:

1- Электромагнит; 2- датчик Холла; G1 - источник питания электромагнита;G2- источник питания датчика Холла; Р1 - измеритель выходного напряжения источника питания электромагнита; Р2 - измеритель выходного напряжения датчика Холла; РА1 - измеритель тока датчика Холла

 

 

2.3. Какие электрофизические параметры полупроводника можно определить методом Холл - эффекта?

 

 

3. Описание макета и методика измерений

 

Источником магнитного поля в данной работе служит электромаг­нит I (рис.2) с разомкнутым кольцевым сердечником из пермаллоя.

Питание электромагнита осуществляется от источника постоянного тока G1.

Индукция B определяется из градуировочного графика по току электромагнита. Ток электромагнита, и следовательно, индукция B может регулироваться изменением выходного напряжения ис­точника G1. Измерение этого напряжения производится вольтмет­ром P1.Максимальное напряжение на обмотке электромагнита составляет 29,9 В. Сопротивление обмотки на постоянном токе R=220 Ом.

Датчик Холла (2) размером 2 * 1,5 * 0,3 мм на держателе помещен в зазор сердечника электромагнита (рис.12). Положение датчика в зазоре может регулироваться микрометрическим винтом. Питание датчика осуществляется от другого источника постоянного тока G2.

Максимальное напряжение питания датчика U_д = 3,7 В. Превышение этого значения может вывести из строя датчик!

Ток датчика I_д измеряется стрелочным прибором и изменяется путем изменения U_д.

ЭДС Холла U_н измеряется милливольтметром Р2.

B

 

 

0.3 1.75

1.0

 

Рис.12. Геометрические размеры датчика Холла (мм).

В - направление магнитной индукции

 

 

 

 

 

Рис.13. Общий вид макета: 1 - датчик Холла, 2- держатель датчика, 3- микрометрический винт, 4 - шкала делений линейного перемещения датчика, 5- обмотка электромагнита, 6 - сердечник электромагнита, С, Д - полюса электромагнита

 

4. Порядок проведение работы

 

4.1. Ознакомиться по функциональной схеме с расположением приборов макета на лабораторном столе и установить, если требуется, начальное положение органов регулировки:

4.1.1. Включить сетевые тумблеры блоков питания. Дать приборам пр греться в течении 20 минут.

4.2. Нахождение перпендикулярной составляющей напряжения U_y.

Примечание. В реальном эксперименте наблюдается некоторая неоднродность полупроводника, выраженная в существовании перпендикулярной составляющей вектора напряженности, которая приводит к появлению перпендикулярного напряжения U_y = Е_yа. Это напряжение складывается с напряжением U_н, внося некоторую погрешность, которую можно устранить, учтя этот дефект.

 

 

 

 

 

 

Рис. 14.

 

4.2.1. Отключить электромагнит, вывести датчик на максимальное расстояние от магнита. Подать питающее напряжение на датчик U_д1=3,7 В, U_д2=2,7 В.

Измерить перпендикулярную составляющую U_y1, U_y2, записать в таблицу

4.3. Нахождение рабочего положения датчика Холла.

4.3.1. Установить датчик Холла микрометрическим винтом по линейной шкале в положение “0”. Подать напряжение на электромагнит. Перемещая датчик с шагом 2 мм, измерять U_н. Записать в таблицу 1. Определить размеры области рабочих положений датчика, т.е. длину пути в зазоре, на котором U_н остается постоянном.

Таблица 1

 

L, mm	0 2 4 6...
UH, mB

 

4.4. Измерение ЭДС Холла.

4.4.1. Установить датчик Холла в рабочую область в зазоре электромагнита.

4.4.2. Установить U_д1=3,7 В, измерить I_д. При этих же значениях задать три значения U_м (уменьшая его от максимального 29,9 В на 3-4 В), определить для каждого из них величину I_м (обратите внимание на градуировку шкалы токов, не ошибайтесь), определить В из градуировочного графика, записать в таблицу 2.

4.4.3. Установить U_д2 = 2,7 В, повторить измерения п.4.4.2. Записать в таблицу 2.

 

 

 

Рис.15. Зависимость величины индукции В магнитного поля в зазоре электромагнита от величины тока подмагничивания (калибровано на приборе Ш1-8)

 

 

Таблица 2

Измерение ЭДС Холла

 

UД, B

Поделиться: