Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физические основы микроэлектроники»
Покупка
Новинка
Тематика:
Микроэлектроника. Наноэлектроника
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 51
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4185-3
Артикул: 837702.01.99
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».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.03: Конструирование и технология электронных средств
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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