Исследование вольт-амперной характеристики транзисторных структур распределенным p+-n переходом и активными контактами различных типов - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа

Главная

Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Исследование вольт-амперной характеристики транзисторных структур распределенным p+-n переходом и активными контактами различных типов

Неравновесные электронные процессы в структурах металл-туннельно-прозрачный-окисел-полупроводник. Исследование вольт-амперных характеристик и физических процессов, протекающих в транзисторных структурах с распределенным p-n переходом. Методы их расчета.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра радиофизики и нанотехнологий
Исследование вольт-амперной характеристики транзисторных структур распределенным p + - n переходом и активными контактами различных типов
Специальность 210401 - Электроника и наноэлектроника
Шари Х.И. Исследование вольт - амперной характеристики транзисторных структур с распределенным p + - n переходом и активными контактами различных типов.
Вольт - амперная характеристика транзисторных структур, транзисторные структуры с активными контактами различных типов, вольт - амперная характеристика бисмещенного перехода с инжекционной неустойчивостью.
Объектом исследования курсовой работы являются транзисторные структуры с распределенным p + -nпереходом.
Целью работы является исследовать вольт-амперные характеристики структур с распределенным p + -n-переходом И двумя типами активных контактов: контактом металл - туннельно - прозрачный - окисел - полупроводник и локальным n + _p-диодом при различных режимах распределенного p + -n-перехода и провести их сравнительный анализ.
В результате выполнения курсовой работы был проведен анализ - физических процессов транзисторных структур, имеющих распределенный по всей площади кристалла эмиттерный p + -n - переход и вольт - амперных характеристик транзисторных структур, имеющие распределенный по всей площади кристалла эмиттерный p + -n - переход, рассмотрены методы их расчета.
1.1 Неравновесные электронные процессы в структурах МТОП
1.2 Семейства ВАХ структуры с распределенным p + -n-переходомактивным МТОП-контактом
1.3 Вольт-амперные характеристики БИСПИН-структуры
бисмещенный переход с инжекционной неустойчивостью
Транзисторные структуры, имеющие распределенный по всей площади кристалла эмиттерный p+-n - переход
металл - туннельно - прозрачный - окисел - полупроводник
структура с распределенным p+-n-переходом
поверхностно-барьерный неустойчивый ток
Положительно обратноя связью по напряжению
полное дифференциальное сопротивление
В последние время все больше внимание уделяется исследованию транзисторные структуры обычно содержат эмиттерный переход, площадь которого существенно меньше площади коллекторного. Все процессы, протекающие в таких структурах, изучены практически полностью. Но процессы происходящие в транзисторных структурах в которых площадь эмиттерного перехода которых превышает площадь коллекторного изучены не так хорошо. Исследования такого рода ведутся на кафедре радиофизики и нанотехнологии Кубанского госуниверситета. Отличительной особенностью структур с распределенным p + -n-переходом (СРП), кроме распределенного эмиттерного перехода, является то, что коллекторный переход выполнен в виде локального контакта металл-туннельно-прозрачный окисел-полупроводник (МТОП), называемого активным контактом (АК).
Транзисторные структуры, имеющие распределенный по всей площади кристалла эмиттерный p + -n - переход (ТСРП), на n - области (база) которого выполняется локальный контакт (активный контакт), представляют собой структуры металл - туннельно - прозрачный - окисел - полупроводник (МТОП). Главная характерная черта характеристик МТОП структур заключается в том, что начиная с определенного напряжения на активном контакте (АК) по отношения к базе U ак даже при "разомкнутом" эмиттерном переходе в этой структуре появляются импульсные колебания тока через АК и пилообразные колебания потенциала на p + - области эмиттера. Исследования показали, что возникновение этих колебаний является следствием одного из видов рекомбинационной неустойчивости тока - поверхностно - барьерной неустойчивости тока и характеризуется
В результате недавних исследований причин появления неустойчивоститока в n - канальном МОП - транзисторе установили, что они также связаны с перезарядкой ловушечных состояний. Структуры с АК, созданныевышеуказанным путем, имеют высокую стабильность электрических и фотоэлектрических характеристик, что дало возможность разработать на их базе стабильно работающие не имеющие аналогов функциональные приборы.
Еще одним типом структур ТСРП являются БИСПИН - приборы.
Бисмещенный переход с инжекционной неустойчивостью - приборы являются полупроводниковыми структурами с БИСмещенным переходом и инжекционной неустойчивостью.
Бисмещенный переход с инжекционной неустойчивостью - приборы преобразовывают аналоговый сигнал на входе в периодическую последовательность импульсов тока или напряжения.
Рабочей средой этих приборов является полупроводниковая структура с распределенным p+-nили n+-pпереходом. На поверхности слаболегированной n- или p+-области создают нелинейный Aи омический Bконтакты. Нелинейным контактом может служить также встроенный локальный n+-p-nили p'-n-p-транзистор.
Таким образом, целью данной курсовой работы является исследовать вольт-амперные характеристики структур с распределенным p + -n-переходом И двумя типами активных контактов: контактом МТОП и локальным n + _p-диодом при различных режимах распределенного p + -n-перехода и провести их сравнительный анализ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить неравновесные электронные процессы в структурах различными активными контактами (МТОП и БИСПИН).
2. Выявить особенности семейства ВАХ структуры с распределенным p + -n-переходом.
3. Экспериментальное исследовать влияния режима распределенного p + -n-перехода на вольт-амперные характеристики структур с распределенным p + _n-переходом с АК МТОП и локальным n + -p-диодом.
4. Выявить зависимость полного дифференциального сопротивления структур с распределеннымp + -n-переходом от напряжения на активном контакте.
В данной курсовой работе проведено исследование физических процессов протекающих в транзисторных структурах с распределеннымp-nпереходом, характеристик ВАХ этих структур и рассмотрены методы их расчета.
1.1 Неравновесные электронные процессы в структурах металл - туннельно - прозрачный - окисел - полупроводник
Возникновение неустойчивости тока (НТ) в структурах МТОП, а также связанные с ней особенности их электрофизических и фотоэлектрических характеристик в значительной мере обусловлены неравновесными электронными процессами, протекающими в АК структуры.
Электронные квазистационарные процессы, приводящие к усилению тока, которое играет важную роль в механизме возникновения НТ, впервые подробно рассмотрены в работах [1, 2]. Как следует из результатов этих работ, при толщине диэлектрика меньше некоторой критической (3,0--3,5 нм) резко возрастает экстракция неосновных носителей из приповерхностной области полупроводника. Так как скорость, с которой дырки поставляются к границе раздела, ограничена, с ростом обратного смещения на металлическом электроде происходит обеднение ими приповерхностного слоя. Поскольку интенсивность термической генерации становится недостаточной для поддержания инверсионного слоя, концентрация дырок падает ниже ее равновесного значения. В работе [3] также показано, что при введении в приповерхностный слой дополнительных дырок, напряженность поля у поверхности полупроводника может сильно возрасти. Авторы на основе анализа процессов в структуре делают вывод, что усиление тока можно получить лишь на тех образцах, у которых поверхность полупроводника в исходном состоянии обогащена основными носителями. При увеличении обратного напряжения на МТОП-контакте происходит последовательный переход его состояния от обогащения к обеднению, а затем к неравновесному обеднению, поскольку ограниченная интенсивность термической генерации не позволяет создать инверсионный слой на поверхности полупроводника. При переходе от обогащения к обеднению все большая часть напряжения приходится на диэлектрик. Поскольку сохраняется условие равновесия на поверхности полупроводника, это приводит к смещению уровня Ферми в металле к краю зоны проводимости. При инжекции неосновных носителей в приповерхностную область полупроводника поле в диэлектрике увеличивается, и уровень Ферми металла смещается выше края зоны проводимости, что приводит к резкому увеличению электронного тока из металла, причем увеличение тока основных носителей может значительно превышать инжекционный ток неосновных носителей.
Аномально большой коэффициент передачи тока кремниевой транзисторной структуры МТОП с плоскостным диффузионным или сплавным p + -n-переходом в схеме с общей базой наблюдался также авторами работы [4]. Коэффициент передачи тока = I a /I p (I a -- обратный ток активного контакта, I p -- прямой ток p + -n-перехода) определялся по семейству статических ВАХ, снятых в режиме генератора тока как в цепи обратно смещенного МТОП-контакта, так и в цепи p + -n-перехода. Обнаружено, что с некоторого напряжения U a на АК величина превышает единицу. Причем было установлено, что начало этого возрастания происходит при напряжениях, соответствующих критическому напряжению возникновения ПБНТ. Значения , превышающие единицу, наблюдаются на тех контактах, на которых в определенных условиях обнаруживается НТ.
Наблюдаемые закономерности находятся в хорошем согласии с моделью, предложенной авторами работы. При небольших обратных напряжениях ток через МТОП-контакт переносится в основном инжектированными из p + -n-перехода дырками. Ввиду малой площади и небольшой эффективности контакта с ростом тока инжекции происходит обогащение области полупроводника вблизи контакта аккумулируемыми дырками. Это приводит к значительному снижению толщины барьера, усилению поля в ОПЗ и даже при достаточно низких напряжениях на контакте вызывает туннельную эмиссию электронов с ПС, контролирующих барьер, которая из-за снижения высоты барьера приводит к резкому возрастанию тока термоэлектронной эмиссии из металла. Для компенсации избыточного заряда эмиттированных электронов из p + -области в базу вытягивается значительное количество дырок, и она приобретает отрицательный потенциал. Количество дырок, достаточное для «запуска» процесса туннельной эмиссии из ПС контакта, приводящей к умножению носителей на нем, зависит от площади контакта и достигается притем меньших токах I p , чем меньше площадь контакта.
Таким образом, причины возникновения аномально больших значений и, наблюдаемые при этом закономерности, обнаруженные в структурах МТОП, становятся понятными на основе модели, объясняющей умножение тока на контакте эмиссией электронов из металла, которая «запускается» туннельной эмиссией с ПС.
Рисунок 1-Осциллограммы колебаний тока и напряжения: а -- Осциллограммы колебаний тока АК (а), б -- напряжения на p+-области МТОП-структуры (б)
В работе [5] подробно рассмотрены неравновесные электронные процессы, определяющие обнаруженные экспериментально особенности ПБНТ в структурах МТОП. При приложении к МТОП-контакту обратного напряжения дырки из n-области через трапецевидный барьер окисла (Рисунок 3) туннелируют в металл, и дырочный компонент тока через структуру вначале преобладает. Поскольку толщина базы существенно меньше длины диффузии дырок (d< 7 В наблюдается слабая зависимость вида ВАХ от распределенного сопротивления базы.
Рисунок 2-Типичные семейства ВАХ МТОП-структур с различными распределенными сопротивлениями базы в режиме отсечки (а) и в режиме «оборванной» p + -области (б)
Рисунок 3-Типичные семейства ВАХ МТОП-структур с различными распределенными сопротивлениями базы при R p-n = 100 кОм (а) и R p-n = 20 кОм (б)
Рисунок 4 - Типичные семейства ВАХ МТОП-структур с различными распределенными сопротивлениями базы при подсветке n-области (P = 1 мВт)
В режиме «оборванной» p + -области (Рисунок 2, б) участок 1 ВАХ, соответствующий U а < 5 В, не зависит от r б '. На следующих участках кривые имеют различие -- с ростом r б ' дифференциальное сопротивление на участке 2 увеличивается. На участке 3 наблюдается отрицательное сопротивление (ОС), что свидетельствует о наличии ПОСТ [14]. Критическое напряжение возникновения участка ОСU кр незначительно увеличивается с ростом r б '. После появления участка ОС возникает НТ (характерное размытие на ВАХ, показанное штриховкой).
Включение перемыкающего сопротивления R p-n приводит к изменению вида ВАХ и характера его зависимости от r б ' по сравнению с режимом «оборванной» p + -области. Как видно из Рисунок 3, участок 1, соответствующий U а < 3 В, для всех значений r б ' приблизительно одинаков. На следующих участках кривые различаются -- с ростом r б ' дифференциальное сопротивление на участке 2 уменьшается, абсолютное значение ОС на участке 3 увеличивается, а напряжение U кр заметно уменьшается, тогда как в режиме «оборванной» p + -области оно незначительно увеличивается. Причем значение тока, соответствующее этому напряжению, уменьшается с ростом r б '. Кроме того, при R p_n = 20 кОм U кр меньше, а абсолютное значение ОС больше, чем при R p_n = 100 кОм и тем более чем в режиме «оборванной» p + -области. После появления участка ОС также возникает НТ.
ВАХ МТОП-структуры, снятые при освещении образца, по своему виду сходны с ВАХ, снятыми при перемыкающем сопротивлении, однако влияние r б ' их вид аналогично случаю «оборванной» p + -области. Из Рисунок 4 видно, что также как и в режиме «оборванной» p + -области, U кр увеличивается с увеличениемr б ', а соответствующее ему значение тока не изменяется. Однако величина этого напряжения существенно меньше, чем в режиме «оборванной» p + -области. ОС имеет абсолютное значение такое же, как и в режиме «оборванной» p + -области.
Рассмотрим, используя энергетическую диаграмму (см.Рисунок 3), а также низкочастотную эквивалентную схему структуры с распределенным p + -n-переходом, возможные физические процессы, определяющие обнаруженные особенности ВАХ МТОП-структуры.
Отсутствие НТ в режиме отсечки хорошо согласуется с моделью физических процессов в МТОП-структуре, в соответствии с которой НТ возникает при достижении концентрацией дырок в ОПЗ АК за счет накопления некоторого критического значения p sк . Однако в режиме отсечки возросший потенциальный барьер, обратносмещенногоp + -n-перехода, препятствует поступлению дырок из p + -области. Тепловая же генерация дырок в базе и ОПЗ АК не в состоянии обеспечить их накопление до критической концентрации. Это легко показать, если учесть, что в режиме отсечки дырочный ток АК, обусловленный тепловой генерацией носителей вего ОПЗ,
где S 10 -3 cм 2 -- площадь АК; e -- элементарный заряд;
n i = 1,6 • 10 10 см -3 -- собственная концентрация носителей;
p 10 -5 c -- время жизни дырок в базе)
где p s -- концентрация дырок в ОПЗ АК;
v p -- тепловая скорость дырок равная при комнатной температуре 7,5 • 10 6 см/с;
D p -- коэффициент прозрачности окисла для дырок, величина которого при толщине окисла 2--2,5 нм по расчетам составляет 10 -8 --10 -7 .
Величину l можно рассчитать по известному соотношению
где 0 = 0,3--0,4 эВ -- высота барьера МТОП-контакта. Учитывая, что N d =1/e n n = 1,7 • 10 15 см -3 дляU а = 5 В, имеем l = 2 мкм. Подставляя в (2) вычисленное по формуле (1) значение дырочного тока АК, можно найти величину p s .
Критическая концентрация p sк связана c критической напряженностью поля E к в ОПЗ АК, при которой начинается туннельная эмиссия электронов из ПС и соответствующей этой напряженности шириной l к ОПЗ АК. Учитывая, чтоE к = U а / l к из выражения (1.3), получим:
Величина E к , соответствующая началу приводящей к развитию НТ туннельной эмиссии электронов из ПС с глубиной залегания 0,3--0,4 эВ по данным [15] лежит в пределах 3 • 10 5 -- 7 • 10 5 В/см. Вычислим критическую концентрацию p sк при предельно допустимом напряжении на структуре U а = 30 В и сравним ее с реальной концентрацией дырок p s в ОПЗ АК при этом же напряжении. Расчет по формулам (1.1--1.4) дает p sк = 4 • 10 16 --2 • 10 17 см -3 и p s = 10 11 --10 12 см -3 . Как видим, реальное значение концентрации дырок примерно на пять порядков меньше критического значения, что явно свидетельствует о невозможности возникновения НТ в режиме отсечки.
Переход от режима отсечки к режиму «оборванной» p + _области приводит к возникновению НТ. Из этого однозначно следует, что в накоплении дырок существенную роль начинает играть их поступление из p + -области, поскольку, как показано выше, тепловая генерация дырок не обеспечивает критической концентрации. Рассмотрение механизма накопления с точки зрения модели [14], позволяет непротиворечиво объяснить как появление участка ОС на ВАХ, так и возникновение НТ. Однако объяснить зависимость вида ВАХ от распределенного сопротивления базыr б ' и, особенно, различный характер этой зависимости при различных режимах распределенного p + -n-перехода при помощи этой модели не представляется возможным. На наш взгляд, это связано с тем, что в этой модели не учитывается влияние протекания начального тока АК по r б ' вдоль распределенного p + -n-перехода, на высоту его барьера.
Рассмотрим механизм этого влияния при «оборванной» p + _области. Начальный ток АК I а , протекая по распределенному сопротивлению базы r б ' вдоль границы n- и p + -областей, создает падение напряжения наr б ', что приводит к зависимости потенциала n-области от координаты. Поскольку p + -область можно считать эквипотенциальной поверхностью, смещение распределенного p + -n-перехода также зависит от координаты. Допустим, что в начальный момент потенциал p + -области равен потенциалу локального участка базы вблизи АК (точка D на эквивалентной схеме). Тогда смещение p + -n-перехода окажется обратным, а его величина будет изменяться от нуля вблизи АК до значения, равного I а r б ' вблизи омического контакта. Обратное смещение p + -n-перехода вызовет экстракцию дырок из базы в p + -область, что приведет к появлению в ней положительного заряда дырок. А поскольку p + -область «оборвана», ее потенциал станет больше потенциала точки D. В результатеnвозникнет прямое смещение p + -n-перехода под АК, которое будет увеличиваться до тех пор, пока величина прямого тока I пр p + -n-перехода под АК не станет равной величине обратного тока I обр в остальной его части. Таким образом, распределенный p + -n-переход будет находиться в двух пространственно разделенных состояниях с противоположными уровнями смещения. Такое состояние p + -n-перехода так же, как и в работе [15], будем называть бисмещенным.
Существование бисмещенного состояния подтверждается сравнением разности потенциалов U p-n между p + -областью и выводом базы с падением напряжения I а r б ' на распределенном сопротивлении базы (Таблица. 1).
Таблица 1 Сравнение разности потенциалов U p-n с падением напряжения I а r б '
Сравнение показывает, что при любых значениях начального тока АК I а и сопротивлениях базы r б ' U p-n U к = 9 В. Уменьшение R p-n приводит к исчезновению участка ОС, однако величина U к не изменяется. На вид ВАХ образцов 2-й партии включение R p-n не влияет. При освещении n-области в образцах обеих партий возникает НТ при U к = 1 В, причем также как и в режиме «оборванной» p + -области ВАХ, имеют одинаковый вид. Увеличение интенсивности света приводит к исчезновению участка ОС.
Рисунок 7-Типичные ВАХ БИСПИН-структур 1-й и 2-й партий при подсветке n области при токе светодиода I св = 2 мА и I св = 10 мА
металл транзисторный полупроводник амперный
Колебания, возникающие в СРП, являются разрывными и для их возникновения кроме положительной обратной связи необходимо наличие в системе быстрых и медленных процессов, способных быстро выводить систему из равновесия и медленно возвращать. Для МТОП-структуры быстрыми процессами являются установление прозрачности барьера за время 1 и восстановление барьера за время 3 . Медленными процессами являются рекомбинация неравновесных носителей за время 2 и накопление дырок в ОПЗ АК за время 4 . Процесс накопления связан с экстракцией дырок активным контактом из базы и p + -области, кроме того, накопление также может быть обусловлено инжекцией дырок из p + -области, т.е. распределенный p + -n-переход играет важную роль в процессе накопления. Однако динамика накопления дырок за счет инжекции ранее не исследовалась.
В БИСПИН-структуре также имеют место быстрые и медленные процессы. Однако их механизм однозначно не выяснен. Так, в работе [16] отмечается, что эти процессы полностью аналогичны процессам в МТОП-структуре. В работах [17] быстрые процессы связываются с зарядкой барьерной емкости распределенногоp + -n-перехода, а медленные -- с рекомбинацией накопленных в базе в результате инжекции из p + -области дырок и разрядкой барьерной емкости распределенного p + -n-перехода. Из анализа работ, посвященных исследованию электрофизических характеристик МТОП- и БИСПИН-структур, можно сделать вывод, что распределенный p + -n-переход должен оказывать существенное влияние на параметры колебаний в этих структурах.
Для выяснения механизма влияния распределенного p + -n-перехода на параметры колебаний в СРП были проведены исследования осциллограмм колебаний тока, протекающего через структуру, и колебаний напряжения на p + -области при различных режимах p + -n-перехода.
На Рисунок 8 приведены типичные осциллограммы колебаний тока АК (а), колебаний напряжения на p + -области МТОП-структуры при токе через p + _n-переход, I p = 50 мкА (б) и перемыкающем резисторе R p_n = 20 кОм (в). Началу координат на осциллограммах соответствует момент подачи напряжения на АК и тока I p-n . Снятые аналогичным образом осциллограммы для БИСПИН-структуры приведены на Рисунок 9.
Рисунок 8 - Осциллограммы колебаний: а -- тока АК МТОП-структуры; б -- напряжения на p + -области при токе через p + _n-переход I p = 50 мкА; в -- перемыкающем сопротивлении R p-n = 20 кОм
Рисунок 9-Осциллограммы колебаний: а -- тока АК БИСПИН-структуры; б -- напряжения на p + -области при токе через p + _n-переход I p = 50 мкА; в -- перемыкающем сопротивлении R p-n = 20 кОм (только для 1-й партии при U пит = 10 В)
Анализ осциллограмм позволяет выделить следующие характерные участки: 1 -- незначительное увеличение тока АК при почти неизменном напряжении на p + -области в течение времени 0 ; 2 -- резкое возрастание тока через АК при резком увеличении отрицательного напряжения на p + -области за время 1 ; 3 -- быстрый спад тока за время 2.1 ; 4 -- медленное уменьшение тока за время 2.2 при почти неизменном напряжении на p + -области; 5 -- быстрый спад тока за время 3 при резком уменьшении отрицательного напряжения на p + -области; 6 -- сохранение квазистационарного значения тока при плавном умень
Исследование вольт-амперной характеристики транзисторных структур распределенным p+-n переходом и активными контактами различных типов курсовая работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Эссе Князь Владимир Святой Или Грешник
Как Нужно Оформлять Реферат
Дипломная Работу Фирменный Стиль
План Курсовой Судебная Власть В Современном Государстве
Курсовая работа: Характеристика запасов на промышленных предприятиях
Курсовая работа по теме Еколого-патріотичне виховання молодших школярів
Сочинение по теме Франц Грильпарцер. Сон — жизнь
Реферат: Костно-хрящевой скелет грудной клетки. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат: Марокко. Скачать бесплатно и без регистрации
Дипломная работа по теме Разработка интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi
Курсовая работа по теме Причины и социальные последствия наркомании в Пермском крае. Профилактика наркомании
Повреждения от острых орудий
Реферат по теме Участь держав у міжнародній мережі глобального екологічного моніторингу
Курсовая работа по теме Розрахунок тягових та регулювальних характеристик асинхронного електропривода електровозу ЧС-7
Реферат по теме Биологический фундамент личности
Направления гносеологии
Особенности основних школ сравнительного правоведения. Немецкая школа сравнительного законодательства
Контрольная работа по теме Проблемы изменения валютного курса
Реферат по теме What strategy are most effective in the conditions of globalization
Реферат На Тему Внешняя Торговля России
Поставки по ленд-лизу - История и исторические личности презентация
Проголошення незалежності України та розгортання державотворчих процесів на початку 1990-х років - История и исторические личности реферат
Учет кассовых операций и расчетов с персоналом по оплате труда - Бухгалтерский учет и аудит курсовая работа