Лаб. Практикум 1 по курсу физические основы электроники москва 2015 План умд на 20142015 уч г
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЕРЕХОДОВ 1. Цель работы Целью работы является исследование металло-полупроводниковых переходов при использовании различных сочетаний металла и полупроводника. При этом определяются следующие характеристики и параметры: – тип контакта (омический или Шотки); – сопротивление омического контакта. Для контакта Шотки при U = 0 определяются: – контактная разность потенциалов; – толщина; – тепловой ток; – барьерная емкость. 2. Краткие теоретические сведения Контакт металл-полупроводник, как и р-n переход, относится к наиболее распространенным в электронике типам контактов. Чаще всего это обычный, омический контакт, сопротивление которого невелико и не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Однако некоторые металлы и полупроводники образуют так называемые контакты Шотки, обладающие, как и р-n переход, односторонней проводимостью. Такие контакты используются в диодах Шотки и некоторых типах транзисторов. Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода1 контактирующего металла qм и полупроводника qп. Если, например, qмqп, будет преобладать диффузия электронов из металла в полупроводник. При этом в m-n переходе в приграничной области полупроводника образуется избыток свободных электронов, т.е. обогащенный слой, рис. 1. В таком виде в контакте подвижные носители имеются во всех его частях, и поэтому он обладает очень маленьким электрическим сопротивлением. При этом же соотношении qмqп в m-p переходе также преобладает диффузия электронов из металла в полупроводник. Однако из-за рекомбинации электронов с дырками в р-области образуется не обогащенный, а обедненный слой с очень низкой концентрацией подвижных носителей, т.е. с большим сопротивлением. Уменьшение концентрации основных носителей приводит к появлению нескомпенсированных отрицательных ионов акцепторной примеси. Их заряд, вместе с положительным зарядом ионов в приграничной части m-области, образует два слоя зарядов, создающих собственное поле m-p перехода. Как и в р-n переходе, собственное поле обуславливает равновесие диффузии и дрейфа и «перемешивания» носителей не происходит. Рис. 1 Металло-полупроводниковые переходы при qм qп  Аналогично, при qм qп в m-n переходе образуется обедненный слой, а в m-p – обогащенный. Поэтому в этом случае m-n переход – выпрямляющий (Шотки), а m-p – омический. Рис.2. Металло-полупроводниковые переходы при qм qп  В реальном металло-полупроводниковом переходе обычно существует еще один слой зарядов – на поверхности полупроводника (поверхностный заряд). Он возникает из-за дефектов кристаллической решетки полупроводника в его поверхностном слое и из-за захвата поверхностью посторонних акцепторных и донорных примесей. Поверхностный заряд может сильно влиять на электрические характеристики перехода, вплоть до изменения самого характера контакта (омический или Шотки). Поэтому диоды Шотки получили распространение намного позже р-n диодов, когда была создана технология, обеспечивающая высококачественный контакт металла с предельно чистой и бездефектной поверхностью полупроводника. Только у таких переходов контактная разность потенциалов к0 близка к идеализированному значению к0 = m – п (1) В настоящей работе металло-полупроводниковый переход полагается идеальным, описывающимся уравнением (1). Если контакт омический, т.е. предназначен для подключения к полупроводниковой области, его наиболее важным параметром является сопротивление R. У такого контакта сопротивление практически не зависит от сопротивления m-области и обогащенного слоя. Поэтому R омического контакта определяется размерами и параметрами нейтральной части полупроводника: L R –––––––, (2) qSN где L и S – толщина и площадь поперечного сечения нейтрального слоя, и N – коэффициент подвижности и концентрация примеси в полупроводниковой области. В случае контакта Шотки, когда используются его нелинейные свойства, важнейшими параметрами являются: 1. Контактная разность потенциалов в отсутствие внешнего напряжения к0, (1). Её величина примерно соответствует значению прямого напряжения Uпр, при котором собственное поле перехода и обедненный слой практически исчезают и возникает большой прямой ток. Uпр определяет тепловые потери Pрасс = Uпр Iпр и к.п.д. выпрямителей с диодами Шотки. По этим параметрам они значительно превосходят кремниевые р-n диоды. 2. Тепловой ток I0, определяющий масштаб идеализированной ВАХ: I = I0(eU/T – 1) , (3) I0 = SAT2e-k0/T , (4) где А – константа, зависящая от типа полупроводника, Т – абсолютная температура, T = kT/q – термический потенциал. 3. Толщина перехода L, от которой зависит напряженность поля в переходе E U/L и поэтому – напряжение пробоя. Так как концентрация подвижных носителей в металле и полупроводнике высокая, толщина перехода определяется практически только толщиной обедненного слоя. В отсутствие внешнего напряжения толщина идеализированного контакта Шотки определяется аналогичным для р-n перехода выражением:  (5)4  (6) . Барьерная емкость Cб, определяющая частотные и импульсные свойства контакта Шотки. В отсутствие внешнего напряжения, как и для р-n перехода, Процессы в контакте Шотки и в р-n переходе обнаруживают значительное сходство (наличие собственного электрического поля и обедненного слоя, вид идеализированной ВАХ и другое). Имеются, однако, существенные отличия, определяющие важные преимущества диодов Шотки: – в открытом контакте Шотки не происходит образования диффузионного заряда неосновных носителей, как в р-n переходе. Поэтому у диодов Шотки нет диффузионной емкости, их частотные и импульсные свойства потенциально много лучше; – в диодах Шотки можно получить значительно меньшие напряжения открытого состояния по сравнению с кремниевыми р-п диодами. Поэтому тепловые потери в диодах Шотки значительно меньше. 3. Методические указания по выполнению 3.1. Вызвать программу лабораторной работы, для чего кликнуть мышью на ярлыке ЛАБ2 на рабочем столе. 3.2. Ввести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта и данным таблицы 1. При вводе чисел пользоваться экспоненциальной формой записи, например, число 31015 вводится как 3Е15, а число 10-4 как 1Е-4. Результаты расчета занести в табл. 2. 3.3. Изменить исходные данные так, чтобы сопротивление омического контакта уменьшилось. Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2. 3.4. Изменить исходные данные так, чтобы толщина перехода увеличилась (что увеличивает напряжение пробоя). Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2. 3.5. Изменить исходные данные так, чтобы уменьшилась барьерная емкость перехода. Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2. 4. Содержание отчета Отчет должен содержать: – название и цель работы; – рисунки обоих вариантов перехода (с экрана); – заполненную табл. 2. 5. Контрольные вопросы 1. Какой характер и почему имеют металло-полупроводниковые переходы при  ?2. Какой характер и почему имеют металло-полупроводниковые переходы при  ?3. Как на свойствах металло-полупроводниковых переходов отражается состояние поверхности полупроводника? 4. От чего зависит сопротивление омического контакта? 5. Какой вид имеет ВАХ контакта Шотки? От чего зависит тепловой ток? 6. От чего зависит напряжение пробоя контакта Шотки? Как его можно увеличить? 7. От чего зависит барьерная ёмкость контакта Шотки? Какова её роль? Как её можно уменьшить? 8. В чём и почему диоды Шотки превосходят р-n диоды? В чём им уступают? Таблица 1. Данные исходных вариантов
Таблица 2. Результаты исследования
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, эВ)
, эВ)
, В