Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физические основы микроэлектроники»

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
 
 
 
 
В. П. Абрамов, В. С. Гаврилов  
 
 
 
Методические указания  
к выполнению лабораторных работ  
 по дисциплине «Физические основы  
микроэлектроники» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
А16 
УДК 621.38 
ББК 32.844.1 
        А16 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/212/book1215.html 
 
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства» 
 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом МГТУ  
им. Н. Э. Баумана в качестве методических указаний 
 
Рецензент канд. техн. наук, доцент О. И. Мисеюк 
 
Абрамов, В. П. 
Методические указания к выполнению лабораторных работ  по 
дисциплине «Физические основы микроэлектроники» / В. П. Абрамов, В. С. Гаврилов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 49, [3] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4185-3 
Представлены лабораторные работы, посвященные исследованию 
характеристик полупроводниковых материалов, элементов на основе 
p−n-переходов, тонкопленочных резисторов, а также характеристик интегральных схем. 
Для студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана, обучающихся по специальности «Конструирование и технология электронных средств». 
 
УДК 621.38 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4185-3 
   МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 
 
2 

 
Предисловие 
В настоящее время уровень развития микроэлектроники является существенным фактором, определяющим научно-технический 
потенциал науки и техники в стране и оказывающим решающее 
влияние на схемотехнику, конструкции и производство радио- и 
электронно-вычислительной аппаратуры. 
Одно из основных достижений микроэлектроники — реализация функционально законченного узла в виде интегральной схемы, 
которая в свою очередь формируется на основе некоторого набора 
базовых элементов: интегральных диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов и др. Многие из этих элементов могут быть 
реализованы на основе p−n-переходов. Представленные в данном 
издании работы посвящены исследованию характеристик полупроводниковых материалов, элементов, реализованных на основе 
p−n-переходов, тонкопленочных резисторов, широко используемых в качестве базовых элементов тонкопленочных гибридных 
микросхем, а также исследованию характеристик интегральной 
схемы, влиянию характеристик отдельных элементов на конечные 
параметры схемы. 
Выполнение лабораторных работ способствует лучшему усвоению лекционного материала, пониманию физических принципов 
взаимодействия отдельных элементов интегральных схем и возможности их практического применения. 
Продолжительность каждого лабораторного занятия — 4 ч. 
 
 
 
3 

 
Работа № 1. Исследование температурных характеристик  
p−n-переходов 
Цель работы — ознакомление с физическими процессами, 
происходящими в p−n-переходе, и исследование зависимости их 
характеристик от температуры. 
Основные теоретические сведения 
Электронно-дырочные или p−n-переходы образуются при контакте двух полупроводников с различными типами проводимости. 
При этом на границе раздела областей появляется градиент концентрации свободных носителей заряда, в результате чего электроны диффундируют в p-область, а дырки — в n-область, т. е. появляются 
электронный 
и 
дырочный 
диффузионные 
токи, 
плотности которых равны соответственно 
 
диф
grad
n
n
J
eD
n
=
 и 
диф
grad ,
p
p
J
eD
p
= −
 
где е — заряд электрона; 
n
D  и 
p
D  — коэффициенты диффузии, 
равные числу носителей заряда, диффундирующих за одну секунду через единичную площадку при единичном градиенте концентрации.  
Для германия 
2
93 см /с,
n
D =
 
2
44 см /с;
p
D =
 для кремния 
2
31см /с,
n
D =
 
2
6,5 см /с.
p
D =
 Знак «−» в выражении для 
диф
p
J
 
означает, что дырочный ток направлен в сторону малой концентрации дырок. 
В результате диффузии электронов и дырок происходит обеднение приконтактных слоев полупроводников основными носителями 
заряда, вследствие чего в них возникают объемные заряды противоположного знака. Объемные заряды создают контактную разность 
потенциалов ϕк, и в переходе появляется электрическое поле 
4 

напряженностью Ек. Это поле вызывает встречные по отношению к 
диффузионным дрейфовые токи плотностью 
 
др
к
n
n
J
en
E
= −
µ
 и 
др
к,
p
p
J
ep
E
=
µ
 
где n и p — концентрации свободных электронов и дырок; 
n
µ  и 
p
μ  — подвижности электронов и дырок, численно равные средней 
скорости дрейфа носителей в электрическом поле напряженностью 
1
E =  В/см.  
Подвижность носителей зависит от свойств полупроводникового 
материала (обычно 
).
n
p
µ > µ
 Для германия 
3900
n
µ =
см2/(В·с), 
1900
p
μ
=
 см2/(В·с), для кремния 
1900
n
µ =
 см2/(В·с), 
p
µ =   
= 400 см2/(В·с). 
В отсутствие внешнего поля диффузионные и дрейфовые токи 
уравновешиваются: 
 
диф
др.
J
J
=
 
В результате уровни Ферми WFp и WFn областей выравниваются (рис. 1, где dp, dn — толщины слоев объемного заряда в p- и nполупроводнике). Суммарный ток, протекающий через p−nпереход, равен нулю. 
При приложении к p−n-переходу внешнего напряжения 
вн
U
 в 
прямом направлении (
вн
0
U
>
) потенциальный барьер 
0
W  в запирающем слое уменьшается на величину 
вн
eU
 и равновесие между 
диффузионным и дрейфовым токами нарушается (рис. 2). 
 
 
 
Рис. 1
 
Рис. 2
5 

Через pn-переход протекает диффузионный ток основных носителей, состоящий из электронного и дырочного токов (прямой 
ток) плотностью 
eD p
eD n
eU
J
J
J
L
L
kT
 
вн
nр
exp
1 ,
p
n
п
р
n
p
⎛
⎞⎡
⎤
⎛
⎞
=
+
=
+
−
⎜
⎟
⎜
⎟
⎢
⎥
⎜
⎟
⎝
⎠
⎣
⎦
⎝
⎠
  
(1) 
где Ln и Lp — диффузионные длины электронов и дырок соответственно (расстояние, на котором при диффузии концентрация носителей уменьшается в 2,7 раза); k =1,380662⋅10−23 Дж/K — постоянная Больцмана; Т — температура перехода.  
Следует иметь в виду, что прямой ток соизмерим с током 
насыщения при малых внешних напряжениях 
вн
0
eU
W
≤
 и резко 
возрастает при 
вн
0.
eU
W
>
 
Если к p−n-переходу приложено внешнее напряжение в обратном направлении (
вн
0
U
<
), то потенциальный барьер W0 в запирающем слое увеличивается на 
вн,
eU
 через p−n-переход протекает 
обратный ток (ток неосновных носителей), плотностью 
 
вн
обр
exp
1 .
p
n
eD p
eD n
eU
J
L
L
kT
n
p
⎛
⎞⎡
⎤
⎛
⎞
=
+
−
−
⎜
⎟
⎜
⎟
⎢
⎥
⎜
⎟
⎝
⎠
⎣
⎦
⎝
⎠
 
(2) 
Зависимость тока p−n-перехода от приложенного к нему 
напряжения называется вольт-амперной характеристикой перехода 
(ВАХ). Эту зависимость (см. кривую 1 при температуре T1 на  
рис. 3) можно описать уравнением 
 
вн
exp
1 ,
s
eU
I
I
kT
⎡
⎤
⎛
⎞
=
±
−
⎜
⎟
⎢
⎥
⎝
⎠
⎣
⎦
 
(3) 
где 
eD p
eD n
I
L
L
=
+
 — ток насыщения; знак «−» соответствует 
p
n
s
n
p
внешнему напряжению, приложенному в обратном направлении; при этом экспоненциальный множитель становится мал 
вн
exp
1 ,
eU
kT
⎛
⎞
⎛
⎞
−
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
⎝
⎠
≪
 и в переходе, смещенном в обратном 
6 

направлении, течет ток, примерно равный току насыщения 
обр
.
s
I
I
≈
 
Если S — площадь перехода, то общий ток, протекающий через него, равен I = JS. 
Рассмотрим влияние температуры на вольт-амперную характеристику р−п-перехода. Ток насыщения не зависит от внешнего поля и в явном виде не зависит от температуры. Однако с повышением температуры концентрация и электронов и дырок 
возрастает: 
N N
W
n
kT
 
c
д
д
exp
;
2
2
Δ
⎛
⎞
=
−
⎜
⎟
⎝
⎠
 
v
N N
W
p
kT
Δ
⎛
⎞
=
−
⎜
⎟
⎝
⎠
 
 
a
a
exp
,
2
2
где 
c
N  и 
v
N  — эффективные числа состояний в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно; 
д
N  и 
а
N  — концентрации 
донорных и акцепторных примесей; 
д
W
Δ
 и 
a
W
Δ
 — энергии ионизации донора и акцептора. 
В результате ток насыщения, согласно формуле (3), увеличивается. Вентильные свойства p−n-перехода ухудшаются (см. кривую 
2 при температуре T2 на рис. 3). Знак «+» в формуле (3) соответствует внешнему напряжению, приложенному в прямом направлении. Так как 
вн
exp
1 ,
eU
kT
⎛
⎞
⎛
⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
⎝
⎠
≫
 то 
вн
пр
exp
,
s
eU
I
I
kT
⎛
⎞
≈
⎜
⎟
⎝
⎠
 
 
 
Рис. 3 
т. е. ток, протекающий через р−ппереход, смещенный в прямом 
направлении, зависит от внешнего 
напряжения, тока насыщения и в 
явном виде зависит от температуры Т. При повышении температуры прямой ток перехода увеличи7 

вается в основном за счет увеличения тока насыщения Is, так как в 
этом случае при росте температуры резко возрастает общая концентрация носителей. 
При высоких температурах (для кремниевых переходов  
≈ 160 °С, для германиевых переходов ≈ 70 °С) донорные и акцепторные примеси полностью ионизируются, полупроводник становится собственным, а затем при обратном смещении в р−ппереходе наступает тепловой пробой, так как тепловой энергии 
становится достаточно для нарушения валентных связей. При 
этом концентрация неосновных носителей резко возрастает, обратный ток, протекающий через р−п-переход, увеличивается.  
С повышением температуры обратное напряжение, при котором 
наступает пробой р−п-перехода, уменьшается, причем значение 
его зависит от ширины перехода. В исследуемых р−п-переходах 
обратное допустимое напряжение должно ограничиваться следующими значениями: для эмиттерного перехода 
обр. доп
4
U
≤
В, для 
коллекторного 
обр. доп
20
U
≤
В. 
Описание лабораторного макета 
Лабораторный макет включает в себя две интегральные схемы, 
смонтированные на основании и помещенные в термостат (обозначен пунктиром), и измерительные приборы (рис. 4). 
В положении 1 переключателя S1 р−п-переходы не включены в 
схему измерения. В положениях 2, 3 (рис. 4, а) переключателя 
S1 снимают прямые и обратные характеристики р−п-переходов 
коллектор—база, в положениях 4, 5 — прямые и обратные характеристики р−п-переходов эмиттер—база (рис. 4, б). 
В положении 2 переключателя S2 максимальное напряжение, 
снимаемое с источника питания, равно 4 В, в положении 3 — 20 В 
при напряжении от источников питания 30 В. 
Задание 
1. Снимите при комнатной температуре прямые характеристики 
вн
(
)
I
f U
=
 эмиттерных и коллекторных р−п-переходов, входящих в состав интегральных схем. 
8 

 
 
Рис. 4 
 
ВНИМАНИЕ! Режим нагрева интегральных схем должен строго выдерживаться. 
2. Снимите при комнатной температуре обратные характеристики 
вн
(
)
I
f U
=
этих р−п-переходов. 
3. Снимите прямые и обратные характеристики эмиттерных и 
коллекторных р−п-переходов при температурах 40 и 80 °С. 
4. Проанализируйте зависимость вида полученных характеристик р−п-переходов от типа перехода и температуры. 
Порядок выполнения работы 
1. Ознакомьтесь с лабораторным макетом, зарисуйте принципиальные схемы для снятия прямых (см. рис. 4, а) и обратных  
(см. рис. 4, б) вольт-амперных характеристик р−п-переходов. Если к 
р−п-переходу приложено прямое напряжение, то его сопротивление 
9 

мало. Оно соизмеримо с сопротивлением миллиамперметра и много 
меньше сопротивления вольтметра. Для того чтобы исключить падение напряжения на миллиамперметре, вольтметр подключают 
непосредственно к р−п-переходу. Если к р−п-переходу приложено 
обратное напряжение, то его сопротивление велико, значительно 
больше сопротивления микроамперметра и соизмеримо с сопротивлением вольтметра. В этом случае для обеспечения минимальных 
погрешностей при измерениях вольтметр подключают к последовательно соединенным микроамперметру и р−п-переходу. 
2. Изучите справочные данные о предельных параметрах эмиттерных и коллекторных р−п-переходов транзисторов.  
ВНИМАНИЕ! При снятии прямых и обратных вольт-амперных 
характеристик значения этих параметров превышать нельзя. 
3. Включите макет и снимите при комнатной температуре прямые характеристики эмиттерных и коллекторных р−п-переходов 
транзисторов. 
4. Снимите при комнатной температуре обратные характеристики эмиттерных и коллекторных р−п-переходов транзисторов. 
5. Снимите характеристики р−п-переходов (повторите действия, указанные в п. 3, 4) сначала при температуре 40 °С, затем 
при температуре 80 °С. Режим нагрева интегральных схем указан 
на лабораторном макете. 
Содержание отчета о лабораторной работе 
Отчет должен включать: 
1) принципиальные схемы снятия прямых и обратных характеристик р−п-переходов; 
2) экспериментально снятые характеристики р−п-переходов; 
3) анализ полученных прямых и обратных характеристик р−ппереходов в зависимости от типа перехода и температуры. 
Контрольные вопросы 
1. Что такое подвижность носителей заряда и от чего она зависит? 
2. Какие токи протекают в полупроводнике? 
3. Какие токи протекают в р−п-переходе? 
10