Диодные структуры: Методические материалы к лабораторному практикуму по курсам ''Физика полупроводниковых приборов'' и ''Твердотельная электроника и интегральные схемы''

М и ни сте р ство о б р а зо ва ни я Ро сси йско й Ф е де р а ци и В О РО Н ЕЖ СКИ Й ГО СУ Д АРСТВ ЕН Н Ы Й У Н И В ЕРСИ ТЕТ Ф и зи че ски й фа культе т К а ф едр а ф и зи к и п о луп р о во дни к о в и м и к р о элек т р о ни к и

Д И О Д Н Ы Е С ТР У К Т У Р Ы

М е то ди че ски е ма те р и а лык ла б о р а то р но му пр а кти куму по кур са м «Ф и зи ка по лупр о во дни ко вых пр и б о р о в» и «Тве р до те льна я эле ктр о ни ка и и нте гр а льные схе мы» для студе нто в 4 к д/о спе ци а льно сти 014.100 “М и кр о эле ктр о ни ка и по лупр о во дни ко вые пр и б о р ы”. Ч а сть1.

Со ста ви те ли

П е тр о в Б .К., В о р о б ье в В .В .

В о р о не ж 2002 г.

Н а сто ящ и е ме то ди че ски е ма те р и а лы являю тся пе р во й ча стью по со б и я к ла б о р а то р но му пр а кти куму по о сно вным кур са м «Ф и зи ка по лупр о во дни ко вых пр и б о р о в» и «Тве р до те льна я эле ктр о ни ка и и нте гр а льные схе мы» спе ци а льно сти 014100 «М и кр о эле ктр о ни ка и по лупр о во дни ко вые пр и б о р ы» для студе нто в 4 кур са . Ра ссма тр и ва ю тся тр и ла б о р а то р ные р а б о ты по по ди о дным стр уктур а м: во льт-а мпе р ные и и мпульсные ха р а кте р и сти ки ди о до в с p-n-пе р е хо до м, во льта мпе р ные

ди о до в с ко нта кто м ме та лл-по лупр о во дни к (ди о до в Ш о ттки ).

П р е дста вле ныте о р е ти че ски е о сно выр а б о тыда нных пр и б о р о в, ко то р ые являю тся мо де лями

для о пи са ни я пр и нци по в де йстви я др уги х по лупр о во дни ко вых

пр и б о р о в (тр а нзи сто р о в, ти р и сто р о в, све то ди о до в и др .). Д а ны ме то ди ки и за да ни я

по

и зме р е ни ю

ста ти че ски х

и

ди на ми че ски х

па р а ме тр о в

пе р е клю че ни и ди о до в с p-n-пе р е хо до м и ди о до в Ш о ттки . П е ча та е тся по р е ш е ни ю Н М С фи зи че ско го фа культе та о т 02.04.2002 г.

пр и

ВВЕ Д Е Н И Е П о лупр о во дни ко вые ди о ды и гр а ю т ва ж ную р о ль в со вр е ме нно й эле ктр о ни ке ка к са мо сто яте льный кла сс пр и б о р о в, та к и в ка че стве мо де ли для по ни ма ни я р а б о ты др уги х по лупр о во дни ко вых пр и б о р о в. П о лупр о во дни ко вый ди о д со де р ж и т выпр ямляю щ и й пе р е хо д, о б р а зо ва нный p-n-пе р е хо до м и ли ко нта кто м ме та лл-по лупр о во дни к. В это м пе р е хо де и пр и ле га ю щ и х к не му о б ла стях пр о и схо дят р а зно о б р а зные фи зи че ски е пр о це ссы, ко то р ые мо гут пр и во ди ть к эффе кту выпр ямле ни я, к не ли не йно му р о сту то ка с уве ли че ни е м на пр яж е ни я, к ла ви нно му р а змно ж е ни ю но си те ле й за р яда пр и уда р но й и о ни за ци и а то мо в по лупр о во дни ка , к тунне ли р о ва ни ю но си те ле й скво зь по те нци а льный б а р ье р выпр ямляю щ е го эле ктр и че ско го пе р е хо да , к и зме не ни ю б а р ье р но й е мко сти с и зме не ни е м на пр яж е ни я, к эффе кту на ко пле ни я и р а сса сыва ни я не о сно вных но си те ле й за р яда в пр и ле га ю щ и х к выпр ямляю щ е му пе р е хо ду о б ла стях. В се эти эффе кты и спо льзую т для со зда ни я р а зли чных ви до в по лупр о во дни ко вых ди о до в: выпр ями те льных, сме си те льных, ста б и ли тр о но в, ва р и ка по в и др . Ц е лью р а ссмо тр е нных ни ж е ла б о р а то р ных р а б о т являе тся и зуче ни е о сно вных фи зи че ски х явле ни й в по лупр о во дни ко вых ди о да х. В пе р во й р а б о те и ссле дую тся ме ха ни змы пр о те ка ни я эле ктр и че ско го то ка в ди о да х с p-nпе р е хо до м, во вто р о й р а б о те р а ссма тр и ва ю тся пр о це ссы на ко пле ни я и р а сса сыва ни я за р яда пр и пе р е клю че ни и и з пр ямо го на пр а вле ни я в о б р а тно е , в тр е те й и зуча е тся во льт-а мпе р на я ха р а кте р и сти ка ди о да Ш о ттки . 1. Д И О Д Ы Н А О С Н О В Е P-N-П Е Р Е Х О Д О В 1.1 В ол ь т-ам перная харак теристик а П р е ж де все го р а ссмо тр и м во льт-а мпе р ные ха р а кте р и сти ки ди о до в на о сно ве узко зо нных по лупр о во дни ко в, на пр и ме р , ге р ма ни е вых, у ко то р ых ш и р и на за пр е щ е нно й зо ны Eg=0,66 эВ (0); 1 - и нж е кци я эле ктр о но в и дыр о к, 2, 3 - р е ко мб и на ци я эле ктр о но в и дыр о к че р е з пр и ме сный а то м (Cu) внутр и p-n-пе р е хо да (-xp<x<xn); б ) пр и о б р а тно м сме щ е ни и (V3).

П усть д иод вк л ю чен посл ед овател ь но срезистором . Е сл и сопротивл ение резистора R м ал о по сравнению ссопротивл ением д иод а (генератор напряж ения на д иод е), то ток в ц епи опред ел яется сопротивл ением д иод а. Е сл и ж е сопротивл ение R вел ик о, то ток через д иод об усл овл ен э тим сопротивл ением (усл овие генератора ток а черезд иод ). Р ассм отрим эти д ва сл учая.

2.2. П ерек л ю чениед иод а изпрям ого направл ения вобратное П усть сопротивл ение R м ал о. Н айд ем ток в ц епи (рис. 3) при перек л ю чении напряж ения E

R E(t)

Д

с прям ого направл ения на обратное. Е сл и

частоте.

низкой

на

диода

схема

Эквивалентная

2.

Рис.

э л ек тропровод ность

Ри с. 3. Э кви ва ле нтна я схе ма ди о да на ни зко й ча сто те .

p+-обл асти

значител ь но

б ол ь ш е э л ек тропровод ности n-обл асти, ток

через p+-n-переход

буд ет в основном

д ырочным . Чтоб ы найти вел ичину э того ток а, необход им о опред ел ить повед ение к онц ентрац ии д ырок справа и сл ева от запорного сл оя. У д обнееанал изировать повед ение к онц ентрац ии д ырок вn-об л асти, поск ол ь к у они явл яю тся неосновным и носител ям и. Т ок д ырок в n-об л асти м ож но считать д иф ф узионным , так к ак пол агаем , что в пол упровод ник е сохраняется э л ек трическ ая нейтрал ь ность , т.е. пол е отсутствует. Т огд а д ырочный ток вб л изи запорного сл оя и буд ет пол ным ток ом через p+-n-переход , поск ол ь к у генерац ией и рек ом б инац ией взапорном сл оепренебрегаем .

П о ве де ни е дыр о к в б а зе о пи сыва е тся ур а вне ни е м ди ффузи и :

p ( x, t ) − p n 0 ∂p ( x, t ) ∂ 2 p ( x, t ) . =− + Dp ∂t τp ∂x 2

(11)

Зд есь и д ал ее pn0- равновесная к онц ентрац ия д ырок , Dp,τp- к оэ ф ф иц иент д иф ф узии и врем я ж изни д ырок . Р аспред ел ение д ырок в б азе в стац ионарном состоянии при протек ании прям ого ток а черезp-n-переход им еет вид :

p ( x) = ( pn1 − pn 0 ) exp(− x / L p ) + pn 0 ,

(12)

гд еpn1=pnexp(qUpn/kT) – к онц ентрац ия д ырок у p-n-переход а при прям ом см ещ ении. Р аспред ел ение д ырок при обратном см ещ ении посл е ок ончания переход ного проц есса описывается уравнением

p ( x) = pn 0 (1 − exp(− x / L p )). В

(13)

м ом ент прил ож ения обратного напряж ения к онц ентрац ия д ырок

вбл изи

запорного сл оя становится равной нул ю из-за вытек ания вp+-обл асть :

pn=0 пр и x=0, t>0.

(14)

У равнение (11) с учетом усл овий (12), (13) и (14) реш ается относител ь но к онц ентрац ии д ырок спом ощ ь ю преобразования Лапл аса.

То к че р е з p-n пе р е хо д р а ве н

 ∂p ( x)  iо б р = − qD p   . ∂ x   x =0

(15)

С читая ток насыщ ения Is=qDppn0/Lp м ал ым , пол учаем зак он изм енения обратного ток а от врем ени:

iо б р iп р

 е−θ  = − − erfc θ  ,  πθ 

(16)

где iп р - пр ямо й то к ди о да , θ=t/τp- о тно си те льно е вр е мя,

( )

2 erfc θ = 1 − π

θ

∫

e −ξ dξ - до по лни те льна я функци я о ш и б о к. 2

0

Д ля двух пр е де льных случа е в и з ур а вне ни я (16) по лучи м:

iо б р iп р iо б р iп р

1 ;θ1. 2θ πθ

(18)

≈− ≈

И з выр а ж е ни я (16) ви дно , что пр и t→0 iо б р /iп р →∞. Р еал ь но обратного

Eпр

вел ичина

ток а

выброса

ограничивается

сопротивл ением ц епи и им еет к онечное значение. О сц ил л ограм м а ток а д иод а в

tи

сл учае м ал ого сопротивл ения R д ана

Eо б р

на рис. 4б .

а)

П роанал изируем

к ачественно

повед ение к онц ентрац ии д ырок в базе

Iпр

д иод а. К ак уж е отм ечал ось , в м ом ент

tи

t

Iо б р

под ачи

обратного

напряж ения к онц ентрац ия д ырок на границ е запорного сл оя становится

б)

равной

нул ю .

В

гл убине

базы

к онц ентрац ия остается повыш енной.

Iпр

П оэ том у

tи Iо б р

им пул ь са

в)

Ри с 4. В р е ме нные ди а гр а ммы: а ) и мпульса ЭД С; б ) то ка ди о да пр и ма ло м вне ш не м со пр о ти вле ни и ; в) то ка ди о да пр и б о льш о м вне ш не м со пр о ти вле ни и .

созд ается

t

д ырок

вбл изи

град иент (рис.

обратный ток течением

запорного

5),

к онц ентрац ии опред ел яю щ ий

через p-n-переход . С

врем ени

к онц ентрац ия

сл оя

д ырок ,

ум ень ш ается убывает

град иент к онц ентрац ии dp/dx и ток

через д иод . У м ень ш ение к онц ентрац ии д ырок в n-обл асти связано с уход ом их в p+об л асть и рек ом б инац ией. Н етруд но понять , почем у в ид еал изированном сл учае, к огд а сопротивл ение внеш ней ц епи равно нул ю (R=0), вел ичина выброса обратного ток а стрем ится к б еск онечности, что сл ед ует из уравнения (16). Д ел о в том , что в м ом ент под ачи об ратного напряж ения к онц ентрац ия д ырок на сам ой границ е запорного сл оя м гновенно становится равной нул ю . В л ю бом д ругом сечении базы в первое м гновение к онц ентрац ия д ырок остается неизм енной, поэ том у град иент к онц ентрац ии д ырок и д ырочный ток черезp+-n-переход беск онечно вел ик и. Р еал ь но э л ек трическ ая ц епь всегд а им еет к онечное ак тивное сопротивл ение, к оторое ограничивает вел ичину выброса об ратного ток а. К ром е того, д л ител ь ность ф ронта обратного им пул ь са напряж ения тож е к онечна. П оэтом у к онц ентрац ия д ырок на границ е p+-n-переход а убывает д о нул я за к онечное врем я. П ри э том распред ел ение д ырок в гл убине базы успевает изм енить ся, и град иент к онц ентрац ии, а сл ед овател ь но, и обратный ток д иод а, буд ут ограничены. Р ассм отрим сл учай перек л ю чения д иод а изпрям ого направл ения вобратное, к огд а сопротивл ение ц епи R вел ик о. П ри под аче им пул ь са обратного напряж ения в ц епи, изоб раж енной на рис. 3, нек оторое врем я б уд ет протек ать неизм енный по вел ичине ток iо бр. А м пл итуд а и д л ител ь ность пл оск ой верш ины обратного ток а (рис. 4в) опред ел яю тся вел ичиной э .д .с. и сопротивл ением R. В л ю б ом сечении базы д ырочный ток равен:

 ∂p ( x)  i p = − qD p  n   ∂x 

p n-б а за

p+

.

(19) П ри

небол ь ш их

уровнях

инж ек ц ии д ырочный ток

м ож но

считать д иф ф узионным . Т огд а ток через переход

к онц ентрац ия

д ырок вбл изи запорного сл оя буд ут

x

0

и

связаны уравнением (15).

Ри с. 5. П о сле до ва те льно е и зме не ни е ко нце нтр а ци и дыр о к в б а зе ди о да пр и мгно ве нно м и зме не ни и пр ямо го на пр яж е ни я на о б р а тно е в случа е ма ло го вне ш не го со пр о ти вле ня. 1 - t10; 4 - t4>t3.

У равнение (15)

позвол яет

сд ел ать важ ный вывод . П оск ол ь к у ток через переход нек оторое врем я остается постоянным

(рис. 4в),

град иент к онц ентрац ии д ырок тож е

p

буд ет оставать ся постоянным течение врем ени

p+

n-б а за

в

ф орм ирования

пл оск ой верш ины обратного ток а. С пад ток а буд ет сопровож д ать ся ум ень ш ением

град иента

к онц ентрац ии

д ырок .

П осл ед овател ь ное

0 Ри с. 6. П о сле до ва те льно е и зме не ни е ко нце нтр а ци и дыр о к в б а зе ди о да пр и мгно ве нно м и зме не ни и пр ямо го на пр яж е ни я на о б р а тно е в случа е б о льш о го вне ш не го со пр о ти вле ни я. 1 - t1>0; 2 - t2>t1; 3 - t3>t2; 4 - t4>t3.

x

к онц ентрац ии

изм енение

д ырок

в

базе

пок азано на рис. 5 и рис. 6. Ш трихпунк тирные

прям ые

явл яю тся

к асател ь ным и

к

распред ел ения

к онц ентрац ии.

Н ак л он

к асател ь ных

постоянным

до

к ривым остается

тех пор,

пок а

к онц ентрац ия д ырок не д остигнет нул евого значения вбл изи запорного сл оя. Д ал ь нейш ееум ень ш ениек онц ентрац ии д ырок в гл уб ине б азы вед ет к ум ень ш ению град иента к онц ентрац ии, а сл ед овател ь но, и ток а черезд иод .

Н айд ем д л ител ь ность пл оск ой верш ины обратного ток а д иод а. Р еш ениеуравнения д иф ф узии (11) сучетом усл овий (12), (13) и (15) описывает повед ениек онц ентрац ии д ырок вб азена стад ии ф орм ирования пл оск ой верш ины ток а [3]:

 −~x iп р + iо б р  −~x x x  ~  −~x  ~  p( x, t ) = pn1 e − e erfc 2 θ − θ  − e erfc 2 θ + θ  ,(20) i 2       пр где ~ x = x / L - о тно си те льна я ко о р ди на та . p

П р и x=0 ур а вне ни е (20) пр и ме тсле дую щ и й ви д:

p ( x, t ) x =0

θ1

 iп р + iо б р   = pn1 1 − erfc θ  .   iп р  

В м ом ент ок ончания ф орм ирования

101

пл оск ой

ток а

θ1=t1/τp

при

вбл изи

запорного

сл оя p(x,t)x=0=0. Т огд а из уравнения (20) пол учим

10-1

erf θ1 =

-2

10

верш ины

к онц ентрац ия д ырок

100

10

(21)

1 1 + iо б р / iп р

Г раф ическ ая

-3

10-2

10-1

10 0

10 1

102 iо б р /iпр

Ри с. 7. За ви си мо стьо тно си те льно й дли те льно сти пло ско й ве р ш и ны о б р а тно го то ка t1/τp о то тно ш е ни я то ко в iо б р /iпр . CД

Rб

RД

(22)

зависим ость

θ1=f(iо бр/iпр), пол ученная из уравнения (22), привед ена на рис. 7. П осл е ок ончания пл оск ой верш ины ф орм ируется спад обратного ток а д иод а, к оторый описывается уравнением

(16),

есл и внем за начал о отсчета взято θ=θ1. Р ассм отрим явл ения, происход ящ ие в д иод е при

Cко р п

.

прохож д ении

прям оугол ь ного усл овно

м ож но

им пул ь са

через него ток а.

пред ставить

в

Д иод вид е

э л ек трическ ой схем ы, пок азанной на рис. 8. С опротивл ение

Ри с. 8. Э кви ва ле нтна я схе ма ди о да

нек оторое

базы

внеш нее

выд ел ено

к ак

сопротивл ение,

посл ед овател ь но вк л ю ченное с сопротивл ением p-n-переход а. П арал л ел ь но p-n-переход у вк л ю чена ем к ость CД , учитываю щ ая барь ерную ем к ость переход а. В ся ц епь ш унтируется ем к ость ю к орпуса приб ора. П роанал изируем осц ил л ограм м у напряж ения на д иод е. Е м к ость к орпуса прибора учитывать не б уд ем ввид у ее м ал ости. Н а рис. 9 привед ены осц ил л ограм м ы напряж ений на базе, на p-n переход е д иод а и

Uб

сум м арная

U1

отраж аю щ ая пол ное напряж ение

д иаграм м а,

на д иод е. В начал ь ный м ом ент врем ени

опред ел яется вел ичиной им пул ь са

U2 tи

0

напряж ение на д иод е

ток а

t

и

сопротивл ением

Н апряж ение на

а)

p-n

ш унтированном

Upn

базы.

переход е, ем к ость ю ,

отсутствует. П о м ере нак опл ения д ырок в базе сопротивл ение базы и, сл ед овател ь но, напряж ение на

Upn ма кс

ней, ум ень ш ается. Н апряж ение на переход е увел ичивается, так к ак

0

tи

ем к ость переход а заряж ается. В

t

б)

м ом ент ок ончания им пул ь са ток а напряж ение на

U

пад ает

U1

до

базе ск ачк ом

нул евого

значения.

В ел ичина ск ачк а U2 опред ел яется сопротивл ением

базы

и

ам пл итуд ой им пул ь са ток а.

U2

И зм енение сопротивл ения базы при запол нении носител ям и

Upn ма кс

заряд а

∆U

называю т

сопротивл ения

tи в)

∆t

базового

t

Ри с. 9. В р е ме нные ди а гр а ммына пр яж е ни я пр и пр о хо ж де ни и че р е з ди о д пр ямо уго льно го и мпульса то ка : а ) на пр яж е ни е на б а зе ди о да ; б ) на пр яж е ни е на p-n пе р е хо де ;

м од ул яц ией

базы.

В ел ичину

сопротивл ения

м ож но

найти, изм еряя начал ь ноепад ение напряж ения на д иод еU1.

Зависим ость сопротивл ения базы от ток а д иод а опред ел яется изм енением перепад а напряж ения посл еок ончания им пул ь са ток а –(U1-U2). Р ассм отрим

теперь

осц ил л ограм м у напряж ения на д иод е посл е ок ончания

им пул ь са прям ого ток а (рис. 9). В м ом ент ок ончания им пул ь са ток а к онц ентрац ия д ырок вб азе не изм еняется. Н ак опл енные вбл изи запорного сл оя д ырк и исчезаю т всл ед ствие рек ом б инац ии. К ром е того, они д иф ф унд ирую т в гл убь базы. П о м ере ум ень ш ения к онц ентрац ии д ырок вб л изи запорного сл оя ум ень ш ается напряж ение на переход е, что и отраж ено на осц ил л ограм м е. Н айд ем зак он изм енения напряж ения на д иод е, пренебрегая д иф ф узией д ырок в гл уб ь б азы. Х арак тер ум ень ш ения к онц ентрац ии д ырок на границ е запорного сл оя с учетом рек ом б инац ии описывает уравнение U pnм а к с

p ( x = 0, t ) = pn 0 e

kT

−

e

t τp

. (23) Н а пр яж е ни е на пе р е хо де связа но с ко нце нтр а ци е й дыр о к в б а зе ур а вне ни е м

U pn = U Д =

kT p( x = 0, t ) ln . q pn 0

(24)

За ви си мо сть на пр яж е ни я на p-n-пе р е хо де о твр е ме ни на йде м, по дста вляя в ур а вне ни е (24) зна че ни е p(x=0,t) и з р а ве нства (23):

U pn = U Д = U pnм а к с −

kT t . q τp

(25)

Зам етим , что в к онц е переход ного проц есса набл ю д ается бол ее резк ое ум ень ш ение напряж ения, чем вначал е. Э то не отраж ено в уравнении (25), к оторое пол учено д л я сл учая, к огд а изб ыточная к онц ентрац ия д ырок вбл изи запорного сл оя м ного бол ь ш е равновесной, и оно несправед л иво, к огд а эти к онц ентрац ии соизм ерим ы. У равнение (25) позвол яет л егк о опред ел ить врем я ж изни д ырок в базе д иод а. Д л я этого изм еряю т перепад напряж ения при t>tи участк е к ривой UД (t) и врем я ∆t, соответствую щ ееэ том у перепад у.

То гда вр е мя ж и зни дыр о к

τp =

kT ∆t . q ∆U д

(26)

И зм ерение начал ь ного остаточного напряж ения в зависим ости от вел ичины прям ого ток а через д иод позвол яет найти к онтак тную разность потенц иал ов ϕк в p-nпереход е. С увел ичением ам пл итуд ы им пул ь сов прям ого ток а вел ичина Upnм а кс стрем ится к нек отором у постоянном у значению .

О пр е де ли м это на пр яж е ни е Upn м а к с . Ко нце нтр а ци я дыр о к вб ли зи за по р но го сло я p(x=0, t)

 q(ϕ к − U pnм а к с )   . p ( x = 0, t ) = p p 0 exp − kT  

С

увел ичением

ам пл итуд ы им пул ь сов вел ичина

(27) p(x=0,t) прибл иж ается к

равновесной к онц ентрац ии д ырок в p+-обл асти pp0. П оэ том у при д остаточно бол ь ш их им пул ь сахток а остаточноенапряж ениеUpnм а кс ≈ϕк.

2.3 . М ал ыенапряж ения и ток и П ри прил ож ении к д иод у м ал ого прям ого напряж ения

э ф ф ек т м од ул яц ии

сопротивл ения б азы д иод а из-за м ал ого уровня инж ек ц ии пренебреж им о м ал . П оэ том у сопротивл ение д иод а в д анном сл учае им еет ем к остной харак тер. В первый м ом ент напряж ение на p-n-переход е б л изк о к нул ю , а ток через д иод ограничен тол ь к о сопротивл ением б азы д иод а. П о м ере заряд а барь ерной ем к ости напряж ение на p-nпереход е и ток через д иод стрем ятся к нек оторым установивш им ся значениям , к оторые опред ел яю тся

ак тивной

составл яю щ ей

сопротивл ения

p-n-переход а.

В

м ом ент

перек л ю чения напряж ение на б арь ерной ем к ости не м ож ет изм енить ся м гновенно, оно д остигает установивш егося значения через нек оторое врем я. Т ок через д иод так ж е зависит от врем ени, что харак терно д л я ем к остного сопротивл ения. П роц ессы заряд а и разряд а ем к ости черезсопротивл ениехорош о известны и зд есь нерассм атриваю тся.

2.4. П р а кти че ска я ча сть

мА Ге не р а то р пр ямо го то ка

мА Д О сц

и сп

Rи зм 100

Ге не р а то р о б р а тно го то ка

Ри с. 10. Схе ма для и ссле до ва ни я пр о це ссо в вклю че ни я, выклю че ни я и пе р е клю че ни я ди о да и з пр ямо го на пр а вле ни я в о б р а тно е .

Схе ма для и ссле до ва ни я пр о це ссо в пе р е клю че ни я ди о да и з пр ямо го на пр а вле ни я в о б р а тно е пр и ве де на на р и с. 10. П р ямо й то к че р е з ди о д за да е тся ге не р а то р о м iп р с по мо щ ью по те нци о ме тр о в “ пла вно ” и “ гр уб о ”. В е ли чи на то ка ко нтр о ли р уе тся ми лли а мпе р ме тр о м. И мпульс о б р а тно го на пр яж е ни я по да е тся на ди о д о т ге не р а то р а . Си гна л, пр о по р ци о на льный то ку ди о да , сни ма е тся с не б о льш о го со пр о ти вле ни я Rи зм=100 О м и и зме р яе тся с по мо щ ью о сци лло гр а фа . 2.4.1. П од готовк а изм ерител ь ного оборуд ования к работе 1. За зе мли тьге не р а то р и о сци лло гр а ф. 2. В клю чи тьге не р а то р и о сци лло гр а ф в се ть. 3. В ыхо д “ си нхр о ни за ци я” ге не р а то р а со е ди ни ть с гне здо м “ вхо д си нхр о ни за ци и ” о сци лло гр а фа . 4. Со е ди ни ть си гна льный ко не ц о сци лло гр а фа с о б щ и м и р учко й “ ↑↓” уста но ви тьли ни ю нуля на ср е дню ю ме тку ка ли б р о во чно й се тки . 5. У ста но ви ть на о сци лло гр а фе “ уси ле ни е Y” – 5 В /де л, “ дли те льно сть” – 2 мкс/де л. 6. Со е ди ни тьгне здо “ выхо д” ге не р а то р а с “ вхо до м Y” о сци лло гр а фа . 7. У ста но ви ть на ге не р а то р е а мпли туду о тр и ца те льно го и мпульса 5 – 10 В , ча сто ту сле до ва ни я и мпульсо в 5 кГц, дли те льно сть и мпульсо в 10 мкс, за де р ж ку 2 - 5 мкс. 8. Ручка ми “ ур о ве нь” и “ ста б и ли за ци я” уста но ви ть усто йчи во е и зо б р а ж е ни е и мпульса . 2.4.2. И зм ерениеврем ени ж изни неосновныхносител ей заряд а вреж им е принуд ител ь ного рассасывания заряд а 1. У ста но ви тьна ма ке те пе р е клю ча те льв по ло ж е ни е “ СХ 1”. 2. П о дклю чи тьге не р а то р и о сци лло гр а ф к ма ке ту, со б лю да я по ляр но сть. 3. В клю чи тьма ке тв се ть,

4. У ста но ви тьпр ямо й то к ди о да в пр е де ла х 20 –50 мА. 5. Ре гули р уя пр ямо й то к ди о да и ли а мпли туду и мпульсо в, до б и ться ха р а кте р но го ви да кр и во й р е ла кса ци и о б р а тно го то ка с пло ско й ве р ш и но й (см. р и с. 4). 6. П р о ве сти и зме р е ни е ве ли чи ны пр ямо го то ка ди о да iп р по ми лли а мпе р ме тр у ма ке та , а та кж е на пр яж е ни я Uо б р с по мо щ ью о сци лло гр а фа . Ра ссчи та ть ве ли чи ну о б р а тно го то ка iо б р =Uо б р /Rи зм . И зме р и ть дли те льно сть пло ско й ве р ш и ны кр и во й р е ла кса ци и . 7. П о вто р и ть и зме р е ни я пункта 6 для тр е х р а зли чных зна че ни й дли те льно сти пло ско й ве р ш и ны. Ра ссчи та ть со о тве тствую щ и е зна че ни я вр е ме ни ж и зни не о сно вных но си те ле й за р яда τp. 2.4.3. И зм ерение врем ени ж изни неосновных носител ей и к онтак тной разности потенц иал оввреж им ерассасывания 1. П о ста ви тьпе р е клю ча те льна ма ке те в по ло ж е ни е “ СХ 2”. 2. П о да ть с ге не р а то р а по ло ж и те льный и мпульс а мпли тудо й о ко ло 5 В дли те льно стью 10 мкс на ге не р а то р пр ямо го то ка . 3. У ста но ви тьр учку “ дли те льно сть” на о сци лло гр а фе в по ло ж е ни е 10 мкс/де л. 4. М е няя уси ле ни е о сци лло гр а фа , по лучи ть и зо б р а ж е ни е и мпульса на пр яж е ни я на ди о де со гла сно р и с. 11. UД 2 1 3

∆U

∆t tи t Ри с. 11. О сци лло гр а мма и мпульса пр ямо го на пр яж е ни я на и спытуе мо м ди о де , вклю че нно м по схе ме 2. 1. П е р е дни й фр о нти мпульса . 2. За дни й фр о нти мпульса . 3. Кр и ва я р а сса сыва ни я за р яда дыр о к в б а зе . 5. П р о ве сти и зме р е ни е ∆U и ∆t, вычи сли ть τp и ср а вни ть р е зульта ты двух спо со б о в и зме р е ни й. 6. У ве ли чи ва я пр ямо й то к че р е з ди о д, и зме р и ть ве ли чи ну UД , пр и б ли зи те льно р а вную ко нта ктно й р а зно сти по те нци а ло в ϕк .

7. Сде ла тьвыво дыпо р а б о те . 2.5. К онтрол ь ныевопросы 1. О б о снуйте не о б хо ди мо сть ка ж до го и з до пущ е ни й, и спо льзуе мых пр и а на ли зе пе р е хо дных пр о це ссо в. 2. О б ъ ясни те пр о це сс фо р ми р о ва ни я пе р е хо дно й ха р а кте р и сти ки ди о да пр и е го вклю че ни и . 3. Ч то та ко е эффе кт мо дуляци и со пр о ти вле ни я б а зы и ка ко во е го вли яни е на пе р е хо дные ха р а кте р и сти ки ди о да ? 4. Ч е м о пр е де ляе тся вр е мя пе р е клю че ни я по лупр о во дни ко во го ди о да и что на до де ла тьдля е го уме ньш е ни я? 3. Д И О Д Ы С К О Н Т А К ТО М М Е ТА ЛЛ-П О ЛУ П Р О В О Д Н И К (Д И О Д Ы Ш О Т ТК И ) 3.1. Зонныед иаграм м ы к онтак товм етал л -пол упровод ник П р и не по ср е дстве нно м ко нта кте ме та лла с по лупр о во дни ко м ур о вни Ф е р ми эти х ма те р и а ло в пр и те р мо ди на ми че ско м р а вно ве си и до лж ны со впа да ть. Ра ссмо тр и м два пр е де льных случа я. Н а р и с. 12а ,б по ка за ны эне р ге ти че ски е ди а гр а ммы для и де а льно го ко нта кта ме та лла с по лупр о во дни ко м n-ти па пр и о тсутстви и по ве р хно стных со сто яни й (E=0 – ур о ве нь по ко ящ е го ся эле ктр о на в ва кууме ). Н а пе р во м р и сунке (р и с. 12а ) ме та лл и по лупр о во дни к не пр и ве де ны в со пр и ко сно ве ни е др уг с др уго м и си сте ма не на хо ди тся в те р мо ди на ми че ско м р а вно ве си и . Если за те м и х эле ктр и че ски со е ди ни ть, то и з n-по лупр о во дни ка в ме та лл пе р е те че т не ко то р ый эле ктр о нный за р яд, в по лупр о во дни ке о б р а зуе тся о б е дне нный сло й и з до но р о в то лщ и но й W и уста но ви тся те р мо ди на ми че ско е р а вно ве си е . П р и это м ур о вни Ф е р ми в о б о и х ма те р и а ла х ср а вняю тся, т.е . ур о ве нь Ф е р ми в по лупр о во дни ке ЕFn по ни зи тся о тно си те льно ур о вня Ф е р ми ме та лла на ве ли чи ну, р а вную р а зно сти со о тве тствую щ и х р а б о т выхо да . В ысо та б а р ье р а (б а р ье р а Ш о ттки )в это м случа е р а вна р а зно сти ме ж ду р а б о то й выхо да ме та лла qϕм и эле ктр о нным ср о дство м по лупр о во дни ка qχn: (28) qϕ Bn = q(ϕ v − χ n ) , В е ли чи на qVBi=qϕm-qχn-(EC-EFn) на зыва е тся ко нта ктно й р а зно стью по те нци а ло в.

E=0 В а куум

E=0

qχ n EC EFn

qϕm

qV bi qϕbn

EC EF

EFm W EV n-по лупр о во дни к

ме та лл

ме та лл

n-по лупр о во дни к

EV б) а) Ри с. 12. Зо нные э не р ге ти че ски е ди а гр а ммыко нта кта ме та лл-по лупр о во дни к б е з уче та по ве р хно стных со сто яни й; а ) до пр и ве де ни я в ко нта кт; б ) пр и эле ктр и че ско м ко нта кте . qχ n

E=0 В а куум qϕm

E=0 EC EFn

qϕbn

EFm W EV n-по лупр о во дни к

ме та лл а)

ме та лл

qVbi EC EF

n-по лупр о во дни к EV б)

Ри с. 13. Зо нные э не р ге ти че ски е ди а гр а ммыко нта кта ме та лл-по лупр о во дни к пр и на ли чи и по ве р хно стных со сто яни й; а ) до пр и ве де ни я в ко нта кт; б ) пр и эле ктр и че ско м ко нта кте .

В то р о й пр е де льный случа й, ко гда на по ве р хно сти по лупр о во дни ка и ме е тся б о льш а я пло тно сть по ве р хно стных со сто яни й, по ка за н на р и с. 13а ,б . Н а р и сунке 12а по ка за на си туа ци я, со о тве тствую щ а я р а вно ве си ю ме ж ду по ве р хно стными со сто яни ями и о б ъ е мо м n-по лупр о во дни ка пр и о тсутстви и те р мо ди на ми че ско го р а вно ве си я ме ж ду ме та лло м и по лупр о во дни ко м. П о ве р хно стные со сто яни я в это м случа е за по лне ны эле ктр о на ми впло ть до ур о вня Ф е р ми EFn, а в nпо лупр о во дни ке о б р а зуе тся о б е дне нный сло й и з до но р о в. Ко гда си сте ма ме та ллпо лупр о во дни к пр и во ди тся в те сный ко нта кт, ур о ве ньФ е р ми по лупр о во дни ка EFn по ни ж а е тся о тно си те льно ур о вня Ф е р ми ме та лла EFm на ве ли чи ну, р а вную ко нта ктно й р а зно сти по те нци а ло в qVBi=EFn-EFm. Если пло тно сть по ве р хно стных со сто яни й до ста то чно ве ли ка (NSS>1013 см-2) и до по лни те льный по ло ж и те льный за р яд р а спо ло ж е н на по ве р хно сти (пр и ма ло м сме щ е ни и ур о вня EFn), то ш и р и на пр о стр а нстве нно го за р яда в n-по лупр о во дни ке W о ста е тся пр е ж не й, то е стьв это м

случа е высо та б а р ье р а qϕBn о пр е де ляе тся сво йства ми по ве р хно сти по лупр о во дни ка и не за ви си то тр а б о ты выхо да ме та лла qϕm. В р е а льных ди о да х Ш о ттки на о сно ве n-кр е мни я вме сто ме та лло в и спо льзую тся си ли ци ды кр е мни я, ко то р ые о б е спе чи ва ю т высо ты б а р ье р о в qϕBn о т 0,55 эВ (для MoSi2) до 0,84 эВ (для PtSi) не за ви си мо о тсте пе ни ле ги р о ва ни я n-кр е мни я [2]. 3.2. В ол ь т-ам перная харак теристик а П е р е но с за р яда че р е з ко нта кт ме та лл-по лупр о во дни к о сущ е ствляе тся гла вным о б р а зо м о сно вными но си те лями в о тли чи е о т p-n-пе р е хо до в, где эле ктр и че ски й то к о б усло вле н не о сно вными но си те лями . Н а р и с. 14 по ка за ны че тыр е о сно вных пр о це сса пр и пр ямо м сме щ е ни и ко нта кта Ш о ттки : 1) на дб а р ье р ный пе р е но с эле ктр о но в, пр е о б ла да ю щ и й в ди о да х Ш о ттки на о сно ве уме р е нно ле ги р о ва нных по лупр о во дни ко в (Nd1018 см-3, на пр и ме р , в б о льш и нстве о ми че ски х ко нта кто в); 3) р е ко мб и на ци я в о б ла сти пр о стр а нстве нно го за р яда (а на ло ги чно р е ко мб и на ци и в p-n-пе р е хо де ); 4) и нж е кци я дыр о к и з ме та лла в по лупр о во дни к. Кр о ме то го , вкла д в по лный то к мо гут да ва ть ло вуш ки вб ли зи гр а ни цы р а зде ла ме та ллпо лупр о во дни к и то ки уте чки в пе р и фе р и йных о б ла стях ко нта кта . П о сле дни е два ме ха ни зма пр е не б р е ж и мо ма лыв о б ычных ди о да х Ш о ттки (Nd3kT/q), мо ж но пр е дста ви ть в ви де J ∼ exp(qV/nkT), где n≥1 - фа кто р не и де а льно сти . Ти пи чные пр и ме р ы во льт-а мпе р ных ха р а кте р и сти к по ка за нына р и с. 15. В р е зульта те ли не йно й экстр а по ляци и эти х ха р а кте р и сти к к V=0 на йде м то к на сыщ е ни я JS. В ысо ту б а р ье р а по лучи м и з фо р мулы

ϕ Bn

kT  AT 2   .(32) = ln q  J S 

П о ско льку то к и нж е кци и дыр о к и з ме та лла в n-по лупр о во дни к в р е а льных ди о да х кр а йне ма л (Ip/In≤0,01 ÷0,001), то на ко пле ни е дыр о к за пр е де ла ми о б е дне нно го сло я не зна чи те льно . В р е зульта те пр и пе р е клю че ни и ди о до в Ш о ттки и з пр ямо го на пр а вле ни я в о б р а тно е , в о тли чи е о т о б ычных ди о до в с p-nпе р е хо до м, фа за р а сса сыва ни я за р яда не о сно вных но си те ле й не на б лю да е тся. 3.4. П рак тическ ая часть 1. С по мо щ ью ха р а кте р и о гр а фа снять В АХ ди о да Ш о ттки в за да нно м пр е по да ва те ле м ди а па зо не то ко в. 2. П о стр о и ть гр а фи к В АХ в по луло га р и фми че ски х ко о р ди на та х. П о гр а фи ку о пр е де ли тьто к на сыщ е ни я JS. 3. П о фо р муле (28) о пр е де ли тьвысо ту по те нци а льно го б а р ье р а . 4. Н а уста но вке для и ссле до ва ни я и мпульсных ха р а кте р и сти к ди о до в по лучи ть о сци лло гр а мму пе р е клю че ни я ди о да Ш о ттки и з пр ямо го на пр а вле ни я в о б р а тно е . Ср а вни ть о сци лло гр а ммы пе р е клю че ни я по лупр о во дни ко во го ди о да и ди о да Ш о ттки . 5. Сде ла тьвыво дыпо р а б о те . 3.5. К онтрол ь ныевопросы 1. Ка ки ми фа кто р а ми о пр е де ляе тся высо та по те нци а льно го б а р ье р а ко нта кта ме та лл –по лупр о во дни к? 2. П о че му ди о ды Ш о ттки б ыстр е е пе р е клю ча ю тся и з пр ямо го на пр а вле ни я в о б р а тно е ? 3. Н а зо ви те о сно вные ме ха ни змыпр о те ка ни я то ка в ди о да х Ш о ттки .

ЛИ Т Е Р А ТУ Р А 1. П а сынко в В .В ., Ч и р ки н Л .К. П о лупр о во дни ко вые пр и б о р ы. – М .: В ысш . ш к., 1987. –479 с. 2. Зи С. Ф и зи ка по лупр о во дни ко вых пр и б о р о в: В 2-х кн.: П е р . с а нгл. – 2-е пе р е р а б . и до п. и зд. –М .: М и р , 1984. –Кн. 1. –456 с. 3. Тхо р и к Ю .А. П е р е хо дные пр о це ссы в и мпульсных по лупр о во дни ко вых ди о да х. –Ки е в.: Те хнiка , 1966. –244 с. Со ста ви те ли : П е тр о в Б о р и с Ко нста нти но ви ч В о р о б ье в В ла ди ми р В а си лье ви ч Ре да кто р Ти хо ми р о ва О .А.