
- •Физические основы электроники Электрофизические методы исследования полупроводников и полупроводниковых приборов
- •Введение в настоящем пособии излагаются основные темы дисциплин, связанных с основами работы полупроводниковых приборов.
- •Требования к подготовке, выполнению и защите работ
- •Тема 1. Приборы, используемые для проведения исследований полупроводниковых приборов
- •1.1. Автоматические мосты переменного тока
- •1.2. Осциллографы
- •1.3. Генераторы
- •Тема 2. Проводимость полупроводников и металлов лабораторная работа № 2.1
- •2.1. Терморезисторы: термисторы и позисторы
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа № 2.2
- •2.2. Общие сведения
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Подготовка к работе
- •2. Исследование вольтамперной характеристики варистора
- •7. Исследование зависимости сопротивления от температуры
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа № 2.3
- •2.3. Определение типа носителей в полупроводниках
- •2.3.1. Метод термозонда
- •2.3.2. Метод Холла
- •2.3.3. Определение концентрации и подвижности носителей
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Определение типа носителей с помощью метода термозонда
- •1.1. Подготовка к работе
- •1.2. Определение типа носителей разных кристаллов
- •2. Исследования по методу Холла
- •2.1. Определение типа основных носителей в датчике Холла
- •2.3. Исследование вольтамперной характеристики датчика
- •2.4. Определение микропараметров кристалла датчика Холла
- •2.6. Определение зависимости эдс Холла от величины тока
- •2.9. Определение зависимости эдс Холла величины индукции в
- •Отчетные материалы
- •Тема 3. Полупродниковые диоды Лабораторная работа №3.1 ″Исследование полупроводниковых диодов″
- •3.1. Характеристики полупроводниковых диодов
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Начальные установки
- •2. Исследование вольтамперной характеристики диода при t0
- •2.1. Исследование прямой ветви вах диода д2
- •2.2. Исследование обратной ветви вах диода д2
- •3*. Исследование вах диодов различных типов
- •4. Исследование зависимости обратного тока диода от температуры
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа № 3.2
- •3.2. Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы
- •3.3. Описание стенда
- •Измерения и обработка результатов
- •2. Исследование вольтамперной характеристики стабилитрона при комнатной температуре
- •5. Исследование влияния температуры на напряжение Uст
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа №3.3
- •3.4. Характеристики светодиодов
- •3.4.1. Управляемые источника света. Светодиоды
- •3.4.2. Строение светодиодов
- •3.4.3. Общие сведения об обозначении светодиодов
- •3.4.4. Особенности лабораторной установки
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа № 3.4
- •3.5. Общие сведения о фотоприемниках
- •3.5.2. Параметры и характеристики фоторезистора
- •3.5.3. Особенности работы фотодиодов
- •3.5.4. Описание установки
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •3. Исследование параметров электрического сигнала от генератора
- •6. Определение параметров импульса эдс от облучаемого фотодиода
- •10. Определение параметров импульса в цепи фоторезистора
- •11. Оценка параметров сигнала от резистора Rизм
- •16*. Исследование величины светового потока от светодиода
- •Отчетные материалы
- •Тема 4. Биполярные транзисторы Лабораторная работа №4.1
- •4.1. Характеристики биполярных транзисторов
- •4.1.1. Схемы включения биполярных транзисторов
- •4.1.2. Схема с общей базой
- •4.1.3. Схема с общим эмиттером
- •4.1.4. Описание установки
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Исследование схемы с общей базой
- •1.2. Исследование входных характеристик транзистора в схеме об
- •1.6. Исследование выходных характеристик транзистора в схеме об
- •1.12*. Исследование характеристики обратной связи в схеме об
- •1.14. Исследование характеристик передачи тока в схеме об
- •2. Исследование схемы с общим эмиттером
- •2.2. Исследование входных характеристик транзистора в схеме оэ
- •2.6. Исследование выходных характеристик транзистора в схеме оэ
- •2.11*. Исследование характеристики обратной связи в схеме оэ
- •2.13. Исследование характеристики передачи тока в схеме оэ
- •Отчетные материалы
- •Тема 5. Полевые транзисторы Лабораторная работа № 5.1
- •5.1. Характеристики полевого транзистора
- •5.1.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
- •5.1.2. Полевой транзистор с изолированным затвором
- •5.1.3. Особенности схемы измерения
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •2. Исследование стоковой (выходной) характеристики
- •Отчетные материалы
- •Тема 6. Элементы технологии производства имс Лабораторная работа № 6.1
- •6.1. Элементы технологии изготовления имс
- •6.1.1. Классификация имс
- •6.1.2. Понятие о технологическом цикле производства имс
- •6.1.3. Производство планарного биполярного транзистора
- •6.1.4. Производство планарного полевого транзистора
- •6.1.5. Структура транзисторов статических микросхем памяти
- •6.1.6. Общие сведения о топологии микросхем памяти
- •6.1.7. Описание установки и процедуры испытаний
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Исследование элементов технологии гибридных имс
- •1.4. Исследование сопротивления резисторов на бгис
- •2. Исследование элементов технологии твердотельных имс
- •2.4. Градуировка окуляров с помощью дифракционной решетки
- •3. Исследование твердотельных микросхем на установке "мим"
- •4. Анализ топологии и параметров микросхемы памяти
- •Отчетные материалы
- •Задачи по темам Аналоговая и Цифровая Электроника
- •П2. Диоды и тиристоры
- •П3. Источники вторичного напряжения
- •П4. Транзисторы
- •П5. Аналоговые устройства
- •П6. Операционные усилители и схемы на их основе
- •П7. Преобразовательные устройства и генераторы
- •П8. Стабилизаторы
- •П9. Логические микросхемы
- •П10. Логические схемы
- •П11. Схемы на лэ
- •П12. Триггеры
- •П13. Регистры и счетчики
- •П14. Преобразователи кодов
- •П15. Мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры
- •П16. Цифро-аналоговые преобразователи
- •П17. Микросхемы (технология и устройство)
- •Рекомендуемая литература Основная литература
- •Дополнительная
1.3. Генераторы
Генераторы (рис. 1.5) предназначены для формирования электрических сигналов синусоидальной или прямоугольной формы в зависимости от установки режима (″Форма сигнала″).
Рис. 1.5. Генератор электрических сигналов
Амплитуда напряжения Uмах сигнала изменяется плавно потенциометром ″Амплитуда″ (″Напряжение выхода″) или ступенчато – переключателем ″Ослабление, дБ″ (начальная установка ″0″).
Значение частоты устанавливается как плавно, так и ступенчато. С учетом значений шкал можно установить, например, 15х10 = 150 Гц, 2х103 = 2000 Гц, 20х103 = 20 кГц.
При испытаниях следует учитывать, что по мере увеличения частоты генератора при фиксированном положении потенциометра ″Амплитуда″ (″Напряжение выхода″), как правило, на выходе генератора уменьшается амплитуда Uмах генерируемого сигнала. Поэтому, при необходимости, величина выходного напряжения (амплитудное или действующее значение) должна контролироваться вольтметром (в режиме ″U≈″) или осциллографом.
Тема 2. Проводимость полупроводников и металлов лабораторная работа № 2.1
“Исследование параметров терморезисторов”
Цель работы: изучение зависимости параметров терморезисторов на основе полупроводников и металлов от температуры, определение ширины запрещенной зоны полупроводника, расчеты ТКR для металла.
Приборы и принадлежности: термостат, терморезисторы полупроводниковые типа СТ1-18, СТ3-18, КМТ-14, металлический терморезистор типа ТСМ (термометр сопротивления металлический), мост переменного тока для измерения величины сопротивления резисторов.
2.1. Терморезисторы: термисторы и позисторы
Терморезисторы – резисторы, сопротивление R(t) которых изменяется в зависимости от температуры t.
Особенности образования носителей заряда в металлах и полупроводниках, зависимости концентрации носителей и проводимости от температуры (в описании используются обозначения t, оС и Т, К), зонные диаграммы рассмотрены в литературе [1], [4].
Величина сопротивления R(t) конструкций из материалов определяется значением удельного электрического сопротивления (t)Ом·м) и удельной проводимости (t) (Ом–1м–1):
R(t) = (t)l/S =l/(t)S, (2.1)
где l – длина проводника; S – поперечное сечение (площадь) образца в форме параллелепипеда или цилиндра.
Температурный коэффициент сопротивления ТКRt определяется:
ТКRt ≡ (1/Rt)(dR/d t)t, (2.2)
где Rt сопротивление при искомой температуре t; (dR/dt)t производная сопротивления при данной температуре.
Значение ТКRt характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один Кельвин (Цельсия).
Если при повышении температуры сопротивление прибора увеличивается, то подобные терморезисторы называются позисторами. Такое изменение сопротивления характерно для металлических проводников, т.к. увеличение температуры приводит к возрастанию колебания узлов (ионов) кристаллической решетки и, соответственно, уменьшению проводимости металла. При возрастании температуры в диапазоне температур t = 20…100 оС удельная проводимость (t) металла нелинейно падает (рис. 2.1, а), удельное объемное электрическое сопротивление (t) – линейно возрастает по закону
(t) = 20(1 + t), (2.3)
где 20 – удельное сопротивление металла при 20 оС, для меди 20 = 0,0172 мкмОм·м; t = (t – 20) oC; - температурный коэффициент удельного электрического сопротивления (для меди = 0,0043 oC–1).
а) б) в)
Рис. 2.1. Влияние температуры на параметры металлов (а) и полупроводников (б, в)
Для металла коэффициент определяется из соотношения (2.3):
≡ TK(1/20)·[(t)– 20]/t, (2.4)
и может быть рассчитан по экспериментальным данным (рис. 2.1, а).
В том случае, когда при повышении температуры сопротивление прибора уменьшается, терморезисторы называются термисторами. Такое изменение сопротивления характерно как для собственных полупроводников, так и примесных полупроводников (в соответствующих температурных диапазонах). Это обусловлено тем, что увеличение температуры приводит к возрастанию числа основных и неосновных носителей заряда и, соответственно, уменьшению сопротивления полупроводника (рис. 2.1, б).
Например, удельная проводимость (t) собственного полупроводника (например, с малым значением Eз) в диапазоне температур 20…100 оС растет по экспоненте, а сопротивление – уменьшается:
,
(2.5)
,
(2.6)
где 0, R0 постоянные; Eз ширина запрещенной зоны, эВ; k постоянная Больцмана, k = 8,625·105 эВ/К; Т абсолютная температура, К.
Параметры полупроводника, в частности, ширина запрещенной зоны Eз, могут быть определены с помощью анализа зависимости сопротивления R(T) от температуры.
С учетом выражения (2.5) можно получить (рис. 2.1, в), что в координатах lnR(1/T) зависимость сопротивления R(T) от температуры выражается прямой линией, и значение ширины запрещенной зоны равно:
Ез = 2k(lnR1 lnR2)/(1/Т1 1/T2), (2.7)
здесь Т абсолютная температура, К.
С учетом взаимосвязи силы тока R, (2.5), (2.6) полупроводников сопротивление терморезистора зависит от температуры согласно
(2.8)
где B = Eз/2k коэффициент температурной чувствительности прибора, зависящий от типа материала и примесей.
В качестве основы термисторов обычно используются узкозонные материалы с величиной Eз 0,1...0,3 эВ, например, полупроводники на основе окислов металлов (цинка, титана и др.). При комнатных температурах сопротивление R термистора имеет значение от нескольких Ом до сотен кОм. Коэффициент В имеет значение (700….15 000) К и практически одинаков для данного термистора в рабочем диапазоне температур.
Из (2.2), (2.8) можно показать, что значение ТКRт для термисторов рассчитывается по соотношению
ТКRт = В/Т 2 , (2.9)
где Т абсолютная температура, К.
ТКRт термистора является отрицательным и обычно имеет значение в пределах (0,8...6)·102 К1.
Термисторы и позисторы используются в схемах сигнализации, регистрации температуры окружающей среды, оценки потоков различных излучений, например, оптического, инфракрасного, рентгеновского и других.