Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

Барьерная емкость контакта "металл-полупроводник" определяется по формуле

 [Ф], (1.48)

где S – площадь контакта "металл-полупроводник".

Порядок построения энергетических диаграмм контакта "металл-полупроводник". Для построения энергетической диаграммы контакта "металл-полупроводник" при заданном напряжении смещения U необходимо определить следующие электрофизические характеристики:

концентрацию примесей в полупроводнике;

величину объемного потенциала (φобn, φобp), позволяющую определить положение уровня Ферми в полупроводнике, используя формулы (1.5 а), (1.5 б), полагая, что концентрация основных носителей заряда равна концентрации донорной или (в зависимости от типа проводимости полупроводника) акцепторной примеси, т.е.  и  (атомы примеси полностью ионизированы);

величину высоты барьера Шоттки, используя справочные данные из прил. 6;

величину ширины области пространственного заряда в полупроводнике по формуле (1.40).

По полученным и исходным данным строится энергетическая диаграмма в следующем порядке.

1. Выбирается масштаб: по вертикали в эВ, по горизонтали в мкм или в нм (см. п. 1.2.8. Порядок построения энергетической диаграммы p–n-перехода).

2. Проводится (произвольно) отрезок прямой линии, соответствующий положению уровня Ферми в металле, обозначается  EfM.

3. Проводятся вертикальные пунктирные линии, обозначающие границы области пространственного заряда в полупроводнике, расстояние между ними равно рассчитанному значению W.

4. Проводится отрезок прямой линии, соответствующий уровню Ферми в полупроводнике, таким образом, чтобы он совпадал с линией уровня Ферми в металле (т.к. контакт "металл-полупроводник" в равновесии), обозначается Efр или Efn.

5. На расстоянии, равном величине рассчитанного объемного потенциала, выше (в случае, если полупроводник р-типа) или ниже (в случае, если полупроводник n -типа) от уровня Ферми проводится отрезок прямой линии, соответствующий середине запрещенной зоны полупроводника, обозначается Ei.

6. Параллельно линии Ei на расстояниях, равных половине величины запрещенной зоны полупроводника Eg/2 проводятся отрезки прямых линий:

- выше Ei – линия уровня дна зоны проводимости, обозначаемая Ec,

- ниже Ei – линия уровня потолка валентной зоны, обозначаемая Ev.

7. На границе раздела "металл-полупроводник" от уровня Ферми в металле проводится вертикальный отрезок, его длина равна величине барьера Шоттки qb.

8. В области пространственного заряда полупроводника энергетические линии, соответствующие Ec, Ev и Ei, представляются изогнутыми относительно нейтральной области полупроводника по параболическому закону. Величина (по вертикали) изгиба энергетических уровней на поверхности полупроводника в точке x = 0 (граница раздела металл-полупроводник) равна контактной разности потенциала "металл-полупроводник" q0.

1.4. Структура "металл-диэлектрик-полупроводник"

1.4.1. Расчет дифференциальной емкости МДП-структуры. Структура МДП является основой ряда дискретных приборов твердотельной электроники, а также элементов интегральных схем. К их числу относятся полевые транзисторы (МДП-транзисторы), приборы с зарядовой связью (ПЗС-структуры), варикапы и др. В основе их функционирования лежит принцип эффекта поля.

Эффектом поля называют явление изменения продольной проводимости полупроводника под действием поперечного электрического поля. Суть этого явления заключается в воздействии на поверхность полупроводника внешним полем и управлении величиной поверхностного изгиба зон. Данный эффект используется также в некоторых методах диагностики поверхностных состояний в полупроводниках.

МДП-транзисторы являются униполярными активными элементами интегральных схем. Наряду с этим, МДП-структуры можно использовать в качестве конденсаторов и резисторов, номинальные значения которых изменяются в определенных пределах при изменении приложенного потенциала к управляющему электроду. Кроме того, МДП-структуры могут также выполнять функции элемента памяти. Особенно широко МДП-транзисторы применяются при построении цифровых интегральных схем.

Существует две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и проводящим каналами.

Анализ показывает, что вольт-амперная стоковая характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом описывается формулой

, (1.49)

где Z и L – соответственно ширина и длина канала; μ – подвижность носителей заряда в канале; CD – удельная емкость МДП-структуры, определяемая соотношением , в котором εD – диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика, d – его толщина; Uc – напряжение между истоком и стоком; Uз – напряжение на затворе; Uз отп – напряжение отпирания, при котором формируется (индуцируется) проводящий канал между истоком и стоком.

Из выражения (1.49) видно, что напряжение отпирания, называемое также пороговым напряжением Uпор МДП-транзистора, является его важным параметром.

При этом напряжении в приповерхностной области полупроводника формируется пространственный заряд, соответствующий режиму сильной инверсии.

Упрощенное выражение для порогового напряжения для «n» – канального МДП-транзистора имеет вид

. (1.50)

Соответствующее выражение для «p» – канального МДП-транзистора

. (1.51)

В (1.50) и (1.51) Uпз – напряжение плоских зон; φоб – объемный потенциал; Qs – полная поверхностная плотность заряда в полупроводнике.

Для МДП-структуры в предположении, что разность работ выхода электрона из металла и полупроводника не равна нулю, а в диэлектрике МДП-структуры и на границе раздела диэлектрик-полупроводник отсутствует заряд поверхностных состояний, напряжение плоских зон будет определяться разностью потенциалов φMS соответствующей разности работ выхода Uпз = φMS.

Величину φMS можно определить из соотношения

для полупроводника n-типа и

для полупроводника p-типа.

Второе слагаемое в выражениях (1.50) и (1.51) определяет величину поверхностного потенциала φS, при котором начинается сильная инверсия

.

Третье слагаемое в (1.50) и (1.51) определяет величину падения напряжения на слое диэлектрика, которое, используя закон Гаусса, можно определить как

,

где ED – напряженность электрического поля на диэлектрике.

Таким образом, для идеальной МДП-структуры величина порогового напряжения определяется выражением

, (1.52)

где N = NА или ND, в зависимости от типа проводимости полупроводниковой подложки МДП-транзистора. Знаки (+) и (–) определяются типом проводимости индуцированного канала между истоком и стоком. Величина объемного потенциала определяется соотношением .

Максимальная толщина обедненного слоя в приповерхностной области полупроводника формируется в режиме сильной инверсии и находится из выражения

. (1.53)

При изготовлении интегральных микросхем, а также силовых полупроводниковых приборов в качестве затворного электрода широко применяются слои сильнолегированного поликремния. Для поликремниевых затворов n+-типа, где уровень Ферми практически совпадает с положением дна зоны проводимости, эффективная работа выхода φm равна величине сродства к электрону в кремнии (æSi = 4,15 В). В поликремниевых затворах p+-типа, где уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны, эффективная работа выхода .

В прил. 7 приведена зависимость разности работ выхода φms от уровня легирования кремниевой подложки для МДП-структур с затворными электродами из Al, Au и поликремния n+ и p+-типа.

Из этих графиков следует, что в зависимости от материала затвора при нулевом напряжении смещения приповерхностная область полупроводника МДП-структуры может оказаться практически в любом состоянии (от обогащения до инверсии).

Полная удельная емкость МДП-структуры определяется соотношением

 , (1.54)

которое соответствует последовательному соединению емкости ОПЗ полупроводника и емкости диэлектрика

  . (1.55)

Величина емкости CD определяется толщиной диэлектрика и представляет собой максимально возможную емкость всей структуры CD = Cmax.

Емкость ОПЗ полупроводника не является постоянной и ее величина определяется изменением поверхностной плотности заряда QS при изменении приложенного к МДП-структуре напряжения:

.

В отсутствие разности работ выхода приложенное напряжение делится между полупроводником и диэлектриком:

.

Таким образом, можно определить зависимость полной емкости МДП-структуры от приложенного напряжения.

Особый интерес представляет величина полной емкости МДП-структуры в режиме сильной инверсии Cmin, т.е. при U = Uпор, так как она определяет значение коэффициента перекрытия по емкости поверхностного варикапа.

.

Соответствующее Uпор значение удельной дифференциальной емкости идеальной МДП-структуры равно

 .

Основные параметры тиристоров

 1. Класс.

Так же, как и у диода, класс характеризует максимальное повторяющееся напряжение, которое можно прикладывать к прибору как в прямом так и в обратном направлении и при этом он остается в непроводящем состоянии. Uкл=Umax/(1,5…2), Umax=Uпр.max»Uобр.max. Классы от 0,5 до 20. Uкл=Кл×100 В.

2. Ток прямой номинальный.

Это допустимый средний ток в открытом состоянии. Диапазон токов: 100мА…1000А. Ток оговаривается при естественном и принудительном охлаждении. Принудительное охлаждение потоком воздуха применяется для мощных приборов. При этом оговаривается скорость воздуха.

 3. Прямое падение напряжения в открытом состоянии Uпр. откр.

Uпр.откр.=0,8...1,2V.

 4. Допустимая скорость нарастания напряжения на закрытом тиристоре в прямом направлении du/dt. Параметр du/dt приводится в справочнике. du/dt=100…2000В/мкс. Тиристор имеет паразитные межэлектродные емкости - рис. 65. При приложении крутого фронта прямого напряжения может произойти самопроизвольное включение тиристора. Для ограничения du/dt параллельно тиристору подключают конденсатор определенной емкости. Последовательно с конденсатором включают небольшое сопротивление, т.к. при включении тиристора конденсатор разряжается на него и R необходимо для ограничения тока разряда. Диод параллельно R обычно не ставят. Обычно С=0,2…2мкФ, R=10…100ом мощностью до 25Вт. R-C цепь параллельно тиристору можно не ставить, если выбирается тиристор с большим запасом по классу. Это существенно снижает габариты преобразовательного устройства.

 5. Допустимая скорость нарастания тока через открытый тиристор di/dt. При включении тиристора средней и большой мощности ток вначале начинает концентрироваться около управляющего электрода, а затем распределяется по всей полупроводниковой структуре. Концентрация тока, нарастающего с большой скоростью около управляющего электрода, может привести к прожогу структуры. Если di/dt ограничено, то ток успевает распределиться по структуре и разрушения полупроводника не будет. Для ограничения di/dt последовательно с тиристором включается индуктивность L. Часто в качестве L выступает индуктивность трансформатора питания.

 6. Время включения tвкл.

Это интервал времени между началом импульса управления и моментом, когда напряжение на тиристоре снизится до 0,1 от напряжения питания. Составляет несколько мкс.

 7. Время выключения tвыкл.

Это интервал времени от момента перехода тока анода через ноль до момента приложения к нему прямого напряжения, не вызывающего его отпирания. В несколько раз больше времени включения. Для приборов средней мощности tвыкл=50…300мкс.

  8. Ток управления Iупр.

Различают Iупр.длит. и Iупр.имп. Iупр.имп=20…1000мА.

  9. Ток удержания Iуд.

Это минимальное значение прямого тока, при котором тиристор остается в открытом состоянии. Обычно Iуд»Iупр.длит.

Пример обозначения тиристора: ТХ-100-10-ХХХ. Здесь ТХ - обозначение разработки тиристора, 100 -номинальный ток тиристора в А, 10 -класс тиристора, ХХХ -цифры, регламентирующие параметры du/dt, di/dt, tвыкл.


На главную