Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Список літератури. 1. Бібик В.В. Фізика твердого тіла: навч




Доверь свою работу кандидату наук!
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

1. Бібик В.В. Фізика твердого тіла: навч. посібник / В.В.Бібик, Т.М.Гричановська, Л.В.Однодворець, Н.І.Шумакова. – Суми: Вид-во СумДУ, 2009. – 200 с.

 

 

Лабораторна робота 6

Дослідження ВОЛЬТ-АМПЕРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДІОДА ШОТТКІ

Мета роботи –одержати вольт-амперну характеристику напівпровідникового діода Шотткі, визначити його опір при прямому та зворотному ввімкненні.

Елементи теорії.Випрямний контакт метал-напівпровідник (бар'єр Шотткі) широко застосовується в напівпровідникових приладах та інтегрованих мікросхемах для створення діодів Шотткі, біполярних транзисторів Шотткі і польових транзисторів із заслоном на основі бар'єра Шотткі.

Історично випрямний контакт метал-напівпровідник був основою одного з перших напівпровідникових випрямних діодів, який використовувався в детекторних радіоприймачах для детектування високочастотного сигналу.

Проте завдяки досягненням сучасної технології відновилася зацікавленість виробників інтегрованих мікросхем в елементах ІМС, які створені з використанням бар'єрів Шотткі. Сучасні інтегровані мікросхеми на елементах з бар'єром Шотткі за багатьма параметрами і характеристиками кращі від звичайних мікросхем.

Розглянемо діод Шотткі (ДШ) як завершений, самостійний, конструктивно виділений елемент ІМС, побудований на основі бар'єра Шотткі.

Найпростішу структуру діода Шотткі в інтегрованій мікросхемі (ІМС) зображено на рисунку 1. Бар'єр Шотткі створюється на межі поділу металевого контакту 3 і напівпровідника n-типу 5. Власне перехід від металевого контакту 3 до напівпровідника 5 і є інтегрова­ним ДШ. Для створення омічного контакту електрода 2 з низьколегованою областю 5 формують перехідну область 1, а для зменшення опо­ру пасивної області діода формують заглиблений шар 4. Структуру діода створено за планарно-епітаксійною технологією із заглибленим n+ - шаром. Оскільки при великих концентраціях домішок в області 5 у переході метал - напівпровідник може утворитись омічний контакт, концентрація домішок у напівпровіднику має становити N<5·1023 ат/м3 . Діоди Шотткі можна створювати на напівпровідниках як n-, так і р-типу, але перевагу віддають напівпровідникам n-типу, оскільки рухливість електронів більша.

Діод Шотткі функціонує на основних носіях. У створенні струму через діод беруть участь лише електрони. На відміну від ДШ у діоді з р-n-переходом струму через діод створюють і електрони, і дірки. У ДШ перехід електронів із напівпровідника в метал не супроводжується дифузією й рекомбінацією. Надлишковий заряд електронів у металі миттєво розподіляється в об'ємі і спричиняє дрейфовий струм. Внаслідок цього в контакті метал-напівпровідник немає дифузійної ємності, яка стримує швидкодію ДШ. Діоди Шотткі можуть працювати на частотах до 100 ГГц.

 

Рисунок 1 – Структура діода Шотткі

 

Вольт-амперна характеристика ДШ майже така, як діода з р-n-переходом. Проте на її вигляд впливає форма потенціального бар'єра біля поверхні металу. Сили дзеркального відображення згладжують бар'єр, а зовнішня напруга спричиняє ефект, подібний ефекту Шотткі за емісією електронів у вакуум.

Простий механічний контакт металу і напівпровідника не дає бажа­них результатів, оскільки на поверхнях, що контактують, зберігаються атоми і молекули адсорбованого повітря, поверхневі оксидні плівки, а поверхневий шар напівпровідника має багато домішок і дефектів структури. Усе це перешкоджає створенню однорідного контакту.

Енергетичні діаграми напівпровідника n-типу і металу, зорієнтовані відносно енергетичного рівня вільного електрона, зображено на рисунку 2а. Розглянемо енергетичне положення електронів провідності у металі й напівпровіднику стосовно положення вільних електронів. Оскільки електрони провідності взаємодіють з іонами кристалічних ґраток, енергія їх значно менша за енергію вільних електронів.

Щоб електрон з дна зони провідності металу або напівпровідника перемістився у вакуум (став вільним), йому потрібно передати енергію, що дорівнює зовнішній роботі виходу відповідно Ем і Ен. Зовнішня робота виходу залежить від властивостей кристалічної ґратки і для використовуваних матеріалів дорівнює 4 - 6 еВ (зовнішня робота виходу для Si дорівнює 4,15 еВ). Для переміщення електрона з рівня Фермі у вакуум потрібно затратити термодинамічну роботу виходу Eмт і Ент. Термодинамічна робота виходу для використовуваних металів дорівнює 4-6 еВ (для Al - 4,1, Mo - 4,7, Pt - 5,3). Хоча висота потенціальних бар'єрів для електронів металів і напівпровідників значна, проте деяка частина електронів провідності може вийти у вакуум.

Оскільки метал ізольовано від напівпровідника, емісія електронів не буде довготривалою. Зі зменшенням кількості електронів у кожному з матеріалів вони заряджатимуться позитивно. Електричне поле, яке при цьому виникає, стримуватиме емісію електронів. Наблизимо метал до напівпровідника (приведемо в контакт) на відстань сталої ґратки (рис.2 а). Дослідимо випадок, коли термодинамічна робота виходу з металу більша за відповідну з напівпро­відника (Емn>Eнт). У перший момент між металом і напівпровід­ником електричного поля не буде. Виникнуть два потоки електронів: перший - із напівпровідника в метал; другий - із металу в напівпровідник. Потік електронів із напівпровідника буде більшим, ніж із металу. В металі накопичується негативний заряд електронів, а в напівпровіднику - позитивний заряд іонізованих атомів домішки. Між металом і напівпровідником виникне різниця потенціалів U. За таких умов для переходу електрона з напівпровідника в метал йому потрібно долати додатковий

 

(1)

Потік електронів із напівпровідника в метал зменшуватиметься:

 

(2)

а потік електронів із металу в напівпровідник залишиться без змін. Різниця потенціалів між матеріалами зростатиме, поки потоки не зрівняються і настане термодинамічна рівновага: jнм = jмн. Як наслідок, максимальна висота додаткового бар'єра в стані рівноваги становитиме бар'єр:

 

(3)

 

Це означає, що в стані рівноваги рівні Фермі металу і напівпровідника суміщаються (рис.2в).

Різницю потенціалів на межі металу і напівпровідника за умов рівноваги називають висотою потенціального бар'єра:

 

(4)

У переході метал-напівпровідник створюється електричне поле, вектор напруженості якого напрямлений від напівпровідника до металу (рис.2 б). Електричне поле майже не проникає в метал, а локалізується в приповерхневому шарі напівпровідника, товщину хn якого розраховують так само, як для p-n-переходу. Шар збіднюється основними носіями заряду (електронами), а просторовий заряд у ньому створюється позитивно іонізованими донорними атомами.

Електричне поле в переході накладається на поле атомів у гратці, але воно значно менше, ніж останнє (рис. 2 в), і не може змінити структуру енергетичних зон, а лише викривлює їх. Оскільки рівні Фермі металу і напівпровідника за умов рівноваги суміщаються, відстань від дна зони провідності напівпровідника Ес до рівня Фермі ЕFn залежить від координати х, і за енергетичною діаграмою вона визначається так:

 

(5)

 

де Ес - енергія дна зони провідності в глибині напівпровідника.

 

 

Рисунок 2 – Енергетичні діаграми металу та напівпровідника: а - метал і напівпровідник ізольовані; б, в - метал і напівпровідник у контакті

 

На відстані від контакту метал-напівпровідник, більшій за хn0, величина Ес – ЕFn визначається рівнем легування напівпровідника. Можна припустити, що при температурі 300 К концентрація електронів у зоні провідності n0, як і концентрація іонізованих атомів донорної домішки, дорівнюватиме концентрації донорів у напівпровіднику n-типу Nd. У приповерхневому шарі на відстані х<хn0 рівень Фермі у напівпровіднику зміщуватиметься вниз у напрямі валентної зони. Таке зміщення рівня Фермі пов'язане зі зменшенням концентрації електронів у приповерхневому шарі напівпровідника і відповідним зростанням потенціального бар'єра для електронів: від ∆Е(х)=0 при х=хn0 до ∆Е(х)=∆E0 при х=0. Розподіл електронів у приповерхневому шарі напівпровідника визначається за формулою

(6)

де U(x) = ∆E(x)/q, UT = kT/q.

Отже, подібно до р-n-переходу контакт метал-напівпровідник за умови Eмтнт створює на межі переходу потенціальний бар'єр U0 для електронів з області напівпровідника. У напівпровіднику виникає область просторового заряду (ОПЗ), збіднена основними носіями (електронами), а отже, заряджена позитивно. Електричне поле у переході майже не проникає в метал, а зосереджене у приповерхневому шарі напівпровідника. Такий контакт металу з напівпровідником дістав назву бар'єра Шотткі, а створені на його основі діоди - діодів Шотткі.

Залежно від полярності прикладеної до контакту напруги висота потенціального бар'єра і концентрація носіїв у приповерхневому шарі збільшаться або зменшаться:

 

(7)

 

Якщо зовнішню напругу U ввімкнути у прямому напрямі, то вона послаблятиме електричне поле контакту і зменшуватиме висоту потенціального бар'єра U'=U0-U.

Якщо зовнішню напругу U ввімкнути у зворотному напрямі, висота потенціального бар'єра зросте: U'=U0+U. Зросте товщина і збільшиться опір ОПЗ. Через контакт проходитиме лише зворотний струм термічно збуджених електронів металу у прискорювальному полі контактного шару.

У зв'язку зі швидким розвитком технології інтегрованих мікросхем створено діоди Шотткі з практично ідеальними характеристиками. Проте раніше в інтегрованих мікросхемах застосування ДШ стримувалося. Це було пов'язано з тим, що при зворотному зміщенні в діодах виникали значні струми просочування, а напруга пробою була менша, ніж напруга р-n-переходів. Ці проблеми спричиняли крайові ефекти (рис. 3 а), які виникали по периметру металевого контакту в конструкції діода. Щоб уникнути крайового ефекту, були розроблені конструкції ДШ з розширеною металізацією, яка перекривала ізолювальний діелектричний шар SiO2 на деяку відстань від контакту з напівпровідником.

Подальше удосконалення конструкцій ДШ привело до створення навколо контакту метал-напівпровідник захисного кільця р-типу (рис. 3б). Напруга пробою збільшилася від 5 до 27 В, для її збільшення служать конструкції з використанням захисного кільця і додаткового електрода (рис. 3 в), на який подають негативну напругу. В таких структурах напруга пробою близька до напруги пробою р-n-переходу. Були розроблені ДШ із захисним кільцем і трьома бар'єрами, ДШ із двома захисними кільцями та ін. Основними недоліками розглянутих конструкцій необхідно вважати зменшення швидкості перемикання ДШ, спричинене інжекцією неосновних носіїв заряду із р-кільця, збільшення ємності діода, ускладнення технологічних процесів. Структура ДШ, зображена на рис. 3 г, не має перелічених недоліків. Контакт металу з напівпровідником здійснюється у спеціальному заглибленні в шарі n-типу. Для таких конструкцій діодів висота потенціального бар'єра UMH0 зменшується.

Рисунок 3 – Структури діодів Шотткі

 

Методичні вказівки. Для виконання дослідження вольт-амперної характеристики діода Шотткі (діод типу КД268А) застосовується лабораторний стенд, до складу якого входить вольтметр М903 і амперметри Ц4313 (рис.4 і 5). Дослідження проводиться при кімнатній температурі.

При прямому ввімкненні на анод діода подається додатня напруга 5В, що змінюється за допомогою потенціометра R2. При зміні напруги буде змінюватися струм діода, який вимірюється амперметром РА1, а падіння напруги – вольтметром РА2.

При зворотному ввімкненні на анод подається від’ємна напруга 15В, оскільки опір діода при такому ввімкненні набагато більший, ніж при прямому.

 

 

Рисунок 4 – Схема прямого ввімкнення діода Шотткі: R1-резистор 1,5 кОм; R2-резистор 470 Ом; РА1-міліамперметр 0-15 мА; PV1-вольтметр 0-5 В; VD1- діод КД2997Б

 

 

Рисунок 5 – Схема зворотного ввімкнення діода Шотткі: R1-резистор 2,2 кОм; R2- змінний резистор 10 кОм; РА1-міліамперметр 0-5 мА; PV1-вольтметр 0-15 В; VD1- діод КД2997Б

 







Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 524. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.028 сек.) русская версия | украинская версия