Эффект поля в германии при высоких частотах

Содержание

Введение

Глава 1 Обзор литературы

1.1 Эффект поля в германии при высоких частотах

1.2 Применение эффекта поля

1.3. Полевой транзистор с управляющим р—n-переходом (ПТУП)

1.4 Транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)

1.5 Пленочные полевые транзисторы (ППТ)

Глава 2 Физические основы полевого эффекта

2.1 Дрейфовый ток в полупроводниках

2.2 Диффузионные токи в полупроводниках

2.3 Зависимость эффективной подвижности электронов в канале от напряжения на затворе

2.4 Поверхность полупроводников

2.5 Электромагнитная теория и полевой эффект

2.6 Статистика Ферми

2.7 Образование обедненных, инверсионных и обогащенных слоев в полупроводнике

Глава 3 Применение полевого эффекта

3.1 Полевые транзисторы

3.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

3.3 МДП-транзистор с индуцированным каналом

3.4 МДП-транзисторы со встроенным каналом

3.5 Параметры и свойства полевых транзисторов с изолированным затвором

Глава 4 Характеристики полевого транзистора

4.1 Статические характеристики

4.2 Величины Icнac0 и Vнac

4.3 Зависимость тока насыщения стока от температуры

4.4 Пробивное напряжение

4.5 Токи утечки

4.6 Активное сопротивление открытого канала

4.7 Работа прибора на низких частотах в режиме малого сигнала

4.8 Эффекты второго порядка на высоких частотах

4.9 Шумовые характеристики

Глава 5 Приборы с зарядовой связью

5.1 Физические основы работы и конструкции приборов с зарядовой связью

Глава 6 Экспериментальная часть

6. 1 Стоко-затворные характеристики полевого транзистора КП303Г и его температурная зависимость

6.2 Статические характеристики полевого транзистора КП303Г и его температурная зависимость

Литература

 

Введение

 

В настоящее время большое внимание уделяется изучению эффекта поля. На основе эффекта поля создан целый класс полупроводниковых приборов, таких как полевые транзисторы, репрограмируемые элементы памяти с плавающим затвором, приборы с зарядовой связью (ПЗС) и т. п.

В 1958-1959 годах появились первые интегральные микросхемы на кремнии, что означало появление нового научного направления полупроводниковой электроники – микроэлектроники. При этом удалось существенно уменьшить стоимость и повысить надежность устройств электронной техники, значительно уменьшить их массу и габариты путем формирования всех пассивных и активных элементов интегральных микросхем в едином технологическом процессе, также в результате конструктивной интеграции.

Первое практическое применение, полевого эффекта было осуществлено в 1960 г. Несколькими десятилетиями раньше уже были заложены основы работы полевых транзисторов, но для их окончательной разработки потребовались многолетние исследования. В 1970 г были созданы первые приборы с зарядовой связью. В 1975 г ПЗС начали активно внедряться в качестве телевизионных светоприёмников. [7,13]

Конструктивное интегрирование функций фоточувствительных и сканирующих элементов в одном приборе позволяет считать ПЗС наиболее перспективными для создания полностью твердотельной ФСИ.

Полупроводниковые приборы принцип действия, которых основан на эффекте поля, имеют множество достоинств, таких как надежность, достаточно малые геометрические размеры, низкий уровень шумов, быстродействие и т.п. Дальнейшее совершенствование приборов привело к ряду проблем, решение которых является главной задачей полупроводниковой электроники. Среди проблем наиболее значимыми являются, например, ограничение рабочих частот, ограничение быстродействия и т.д.[7]

Целью курсовой работы:

§ Изучение принципа действия полевых приборов и исследование их характеристик.

Задачи курсовой работы:

§ Изучение эффекта поля в полупроводниках.

§ Изучение принципа работы полупроводниковых полевых транзисторов.

Экспериментально исследовать:

· Исследование статические характеристики полевых транзисторов.

· Исследовать зависимость статических характеристик полевых транзисторов от температуры.

В данной работе в первой главе рассматривается частотная зависимость полевого эффекта и наиболее актуальные на сегодняшний день вопросы о применении этого явления в оптоэлектронике. Во второй главе рассматриваются физические основы полевого эффекта. В третьей главе ― применение изучаемого явления на примере принципа действия полевых транзисторов и приборов с зарядовой связью. В четвёртой главе рассматриваются основные характеристики полевых транзисторов. Пятая Глава раскрывает физические основы работы и конструкции приборов с зарядовой связью. Шестая глава посвящена экспериментальному изучению основных параметров полевого транзистора, а также изучение частотной зависимости параметров полевого транзистора КП303Г.

 

Глава 1 Обзор литературы

Эффект поля в германии при высоких частотах

 

Изменение проводимости приповерхностного слоя полупроводника, вызываемое электрическим полем, перпендикулярным этой поверхности, обычно называют эффектом поля. Исследование эффекта поля в германии при высоких частотах приводит к некоторым трудностям, так как возникают большие токи смещения, идущие к поверхностной области. [8]

Эффективная подвижность носителей тока, индуцированных у поверхности полупроводника при приложении поля, часто гораздо меньше подвижности носителей в объеме образца; причина заключается в том, что часть носителей связана на поверхностных уровнях. При достаточно высоких частотах поверхностные уровни не смогут успевать обмениваться с зоной проводимости или валентной зоной и эффективная подвижность в таком случае будет равна объемной подвижности основных носителей.

 

Рисунок 1. Схема установки для эффекта поля.

 

Данное исследование проводилось на экспериментальной установке показанной на рисунке 1.

Образец представлял собой прямоугольный параллелепипед размерами , вырезанный из монокристалла германия; к концам образца были припаяны контакты. Поверхность образца подвергалась различным видам обработки.

Образец германия являлся одной из пластин конденсатора, а диэлектриком служила пластина из монокристалла титаната стронция, при этом емкость системы составляла ~ 30 пФ. Конденсатору было приложено переменное напряжение в 10В, создающее максимальное поле порядка 4 10⁴ В /см. Между концами образца германия было приложено меньшее напряжение той же частоты и фазы. В результате модуляции этого напряжения при изменениях проводимости, вызываемых эффектом поля, в цепи гальванометра индуцируется постоянный ток, который, пропорционален эффекту поля.

Эффект поля можно охарактеризовать эффективной подвижностью носителей тока

 

₁  (1)

 

где ₁- проводимость образца на единицу поверхности, а - полный заряд, индуцированный полем на единице поверхности. Полная проводимость равна

 

₁

 

где W- ширина, а L - длина образца, тогда

 

_В

 

здесь С-полная емкость между пластиной и образцом, _В-напряжение приложенное к емкости. Отсюда следует

_эф ² _В (2)

 

Приложенные напряжения, показанные на рисунке 1, синусоидальны со среднеквадратичными значениями V_A и V_B и могут быть записаны в виде

 

 (5а)

 (5б)

 

где - фазовый сдвиг между приложенными напряжениями. При малых изменениях проводимость может быть записана следующим образом:

 

 (3в)

 

где θ'- фазовый сдвиг электропроводности по отношению к _В.Ток вдоль образца при напряжении  будет

 

 (4)

 (5)

 

Обычным приемом теории переменного тока можно расширить простое определение (1) , представляя  как комплексное число, модуль которого равен отношению амплитуд двух синусоидальных величин ₁и , а аргумент равен фазовому сдвигу между двумя синусоидами. Из уравнения (2) следует, что величина _эф ² _В, а из уравнения (3) видно, что равна θ'. Из изложенного и уравнения (5) следует

 

²) (6)

Это основное соотношение между  и экспериментальными величинами.

В случае использование схемы, показанной на рисунке 1 0, когда  (т.е. ниже нескольких МГц в этих опытах). Для этого диапазона частот из уравнения (6) видно, что измерения дают , т.е. действительную часть . На практике верхняя часть частот определяется условием . Вблизи этой частоты ток смещения через емкость, индуцируемый напряжением _В, сравним с продольным током от напряжения _А (ток и напряжение изменяются вдоль образца), и величиной  ни в коем случае нельзя пренебречь. В этой области частот единственным способом оценки  является расчет распределения тока и напряжения с последующим интегрированием их произведения вдоль образца. Выше этой области частот такие расчеты становятся не реальными, потому что они критически зависят от симметрии распределения токов, которое трудно в этом случае определить.

Для достижения диапазона высоких частот, поле ограничивалось участком образца около центра, а последовательно с пластиной был помещен небольшой конденсатор. Обе эти меры уменьшили отклонения гальванометра, но зато увеличили верхнюю границу частот

Таким образом, была рассмотрена зависимость эффективной подвижности в германии p-типа в расширенной области частот (рисунок 2).[8,10]

Перед снятием зависимости поверхности образца были протравлены в течение 1 мин в СР-4,

Измерения проводились в сухом кислороде, влажном воздухе, а так же в озоне.

В сухом кислороде наблюдалось уменьшение времени жизни, а также уменьшение эффективной подвижности. Следует отметить тот факт, что независимо от среды, и не зависимо от числа повторяемых циклов, наблюдались лишь незначительные изменения эффекта поля.

 

В результате различного вида обработок, наблюдалось разрушение инверсионного слоя, что приводило к уменьшению эффекта поля.

При частотах порядка нескольких сотен Герц между быстрыми поверхностными состояниями, зоной проводимости и валентной зоной устанавливается равновесие. При частотах в области сотен килогерц наблюдается квазиравновесие между быстрыми поверхностными состояниями и ближайшей зоной. С некоторыми оговорками, касающимися надежности данных при частотах выше 10 МГц, можно по крайне мере предполагать, что время, требуемое для установления квазиравновесия между быстрыми состояниями и одной из зон, порядка  10⁶)= 10^-8 сек.

На сегодняшний день актуальным является нахождение методов расширения диапазона частот [8].