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