Примерная методика проведения измерений, порядок расчета параметров по результатам измерений и построение графиков

Разработаны три варианта заданий по выполнению лабораторной работы, которые позволяют определить электрофизические свойства твердых тел, используя различные схемы измерения параметров. Преподаватель может предложить студентам выполнить тот или иной вариант задания, либо последовательность выполнения заданий.

Вариант №1

Изучение преобразования измерительных схем.

1. Подключить в качестве внешнего образца заданную модель из замеренных ранее компонентов.

2. Запустить программное обеспечение стенда для исследования вольт-фарадных характеристик, при этом на экране монитора появится первая схема измерения

3. Для проведения измерений необходимо создать базу данных, для чего в «Рабочей тетради» нажать кнопку «Новая».

4. В «Области управления» «Рабочей тетради» появится окно «Измерение», где указывается название измеряемой зависимости.

5. Задание названия измеряемой зависимости осуществляется путем нажатия кнопки «Редактирование».

6. На схеме измерения активизировать «Измеритнль R C».

7. Установить предел измерений и амплитуду измерительного сигнала 250 мВ.

8. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

9. Для осуществления расчетов необходимо открыть окно «построитель выражений», нажать кнопку «Вычислить».

10. Вычислить теоретические значения параметров схем замещения и определить абсолютную и относительную погрешности измерений.

Вариант №2

Исследование диода Шоттки и варикапа с помощью метода вольт-фарадных характеристик.

1. Включить программное обеспечение стенда для исследования вольт-фарадных характеристик, выбрать в меню «Измерение» схему №2.

2. На схеме выбрать образец, заданный преподавателем.

3. Для проведения измерений необходимо создать базу данных, для чего в «Рабочей тетради» нажать кнопку «Новая».

4. В «Области управления» «Рабочей тетради» появится окно «Измерение», где указывается название измеряемой зависимости, дата и время.

5. Задание уникального имени измеряемой зависимости осуществляется путем нажатия кнопки «Название».

6. На схеме измерений активизировать функциональный генератор и характериограф.

7. Установить на характериографе необходимый предел измерений и аплитуду измерительного сигнала 25 мВ.

8. Установить на функциональном генераторе необходимые границы изменения напряжения смещения и включить функциональный генератор.

9. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

10. Переключиться на схему измерений № 3.

11. На схеме измерений активизировать функциональный генератор и электронный осциллограф.

12. Установить на функциональном генераторе необходимые границы изменения напряжения смещения и включить функциональный генератор.

13. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

14. Для осуществления расчетов необходимо открыть окно «построитель выражений», нажать кнопку «Новое».

15. Записать выражение для расчета .

16. Построить графики зависимостей измеренных C-V и G-V характеристик и , для чего в «области управления» «Рабочей тетради» нажать кнопку «График».

17. Построить прямую линию для определения тангенса угла наклона зависимости .

18. Рассчитать концентрацию примеси в полупроводнике по формуле (10): .

19. Рассчитать толщину области объемного заряда исходя из концентрации примеси и по формуле плоского конденсатора для одного из значений напряжения смещения. Объяснить причину расхождения результатов расчета.

Вариант №3

Исследование МДП-структуры с помощью метода вольт-фарадных характеристик.

1. Запустить программное обеспечение стенда для исследования эффекта Холла, при этом на экране монитора появится первая схема измерения

2. Для проведения измерений необходимо создать базу данных, для чего в «Рабочей тетради» нажать кнопку «Новая».

3. В «Области управления» «Рабочей тетради» появится окно «Измерение», где указывается название измеряемой зависимости, дата и время.

4. Задание названия измеряемой зависимости осуществляется путем нажатия кнопки «Редактирование».

5. Переключиться на «Схему измерения» и выбрать схему №2.

6. На схеме измерения активизировать функциональный генератор и характериограф.

7. Установить на характериографе необходимый предел измерений.

8. Установить на функциональном генераторе максимальные границы изменения напряжения смещения и включить функциональный генератор в режиме предварительного просмотра.

9. Выбрать по характериографу напряжение смещения, соответствующее режиму обогащения.

10. Переключиться на схему №1.

11. Активизировать управляющие и регистрирующие инструменты, необходимые для измерения емкости, проводимости и напряжения.

12. Установить выбранное напряжение смещения.

13. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

14. Для осуществления расчетов необходимо открыть окно «построитель выражений», нажать кнопку «Новое».

15. Пересчитать измерительную схему в последовательную двухэлементную.

16. Занести рассчитанные значения емкости и сопротивления в область констант «Рабочей тетради».

17. Используя значение емкости, рассчитать по формуле плоского конденсатора толщину диэлектрика МДП-структуры.

18. Переключиться на «Схему измерения» и выбрать схему №2.

19. На схеме измерения активизировать функциональный генератор и характериограф.

20. Установить на характериографе необходимый предел измерений и амплитуду измерительного сигнала 25 мВ.

21. Включить функциональный генератор в режиме предварительного просмотра.

22. По характериогрфу выбрать границы изменения напряжения смещения соответствующие окончанию режима обогащения и началу режима сильной инверсии.

23. Установить на функциональном генераторе выбранные границы изменения напряжения смещения, отключить предварительный просмотр и провести измерение характеристик.

24. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

25. Пересчитать измерительную схему в последовательную двухэлементную.

26. Пересчитать измерительную схему в последовательную четырехэлементную, используя в качестве крайних элементов значения емкости и сопротивления, измеренные в режиме обогащения (пп. 11-16).

27. Пересчитать средние элементы измерительной схемы в параллельную двухэлементную, определив таким образом емкость и проводимость области пространственного заряда.

28. Записать выражение для расчета .

29. Построить графики зависимостей измеренных C-V и G-V характеристик и , для чего в «области управления» «Рабочей тетради» нажать кнопку «График».

30. Построить прямую линию для определения тангенса угла наклона зависимости .

31. Рассчитать концентрацию примеси в полупроводнике по формуле (10): .

Контрольные вопросы

1. В чем существенное отличие электрической модели от электрофизической?

2. Каким образом создается р-n-переход? Какую роль выполняет донорная примесь? Чем создаются объемные заряды?

3. Что создает электрическое поле в р-n-переходе? От чего зависит высота потенциального барьера? Чем определяется прямой ток в р-n-переходе?

4. Что такое барьерная и диффузионная емкости?

5. При каких условиях увеличивается полная емкость p-n-перехода?

6. Какие режимы существуют в МДП-структурах при изменении напряжения смещения?

7. Что влияет на полную емкость МДП-структуры?

8. Каким образом зависит полная дифференциальная емкость МДП-структуры от увеличения концентрации легирующей примеси при неизменном напряжении на МДП-структуре?

9. Какому напряжению на затворе МДП-структуры соответствуют режим обогащения; режим обеднения; режим инверсии для подложек n- и p-типов?

10. Влияет ли заряд в диэлектрике МДП-структуры на определение профиля концентрации легирующей примеси вольт-фарадным методом?

11. Влияет ли контактная разность потенциалов в МДП-структуре на определение профиля концентрации легирующей примеси вольт-фарадным методом?

12. Что является причиной возникновения поверхностных ловушек?

13. В какой энергетической зоне находятся поверхностные ловушки?

14. В чем существенное отличие равновесного от неравновесного метода определения спектра плотности поверхностных ловушек?

15. Какой частотный диапазон тест-сигнала необходим для реализации неравновесных методов при комнатной температуре?

16. Какие элементы электрической модели МДП-структуры влияют на определение спектра плотности поверхностных ловушек при использовании ВЧ-метода?

17. Какой элемент электрической модели МДП-структуры является информативным при определении спектра плотности поверхностных ловушек ВЧ-методом?

18. В чем существенное отличие метода проводимости от ВЧ-метода определения спектра плотности поверхностных ловушек?

19. Что наиболее существенно влияет на трансформацию погрешности при использовании ВЧ-метода определения спектра плотности поверхностных ловушек?

20. Может ли через диэлектрик МДП-структуры протекать постоянный ток? Возможна ли инжекция носителей заряда в диэлектрик МДП-структуры? Какие существуют механизмы инжекции носителей заряда в диэлектрик МДП-структуры?

Литература

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2 кн. – М.: Мир, 1984.

2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 1987.

3. Медведев С.П. Физика полупроводниковых и микроэлектронных приборов (биполярные приборы): Учеб. пос. – Пенза, 1996.

4. Малер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. – М.: Мир, 1989.