Сборник 1

11

4. Барьерная емкость определяющая частотные и импульсные свойства контакта Шотки. В отсутствие внешнего напряжения, как и для р-п перехода,

Процессы в контакте Шотки и в р-n переходе обнаруживают значительное сходство (наличие собственного электрического поля и обедненного слоя, вид идеализированной ВАХ и другое). Имеются, однако, существенные отличия, определяющие важные преимущества диодов Шотки:

-в открытом контакте Шотки не происходит образования диффузионного заряда неосновных носителей, как в р-n переходе. Поэтому у диодов Шотки нет диффузионной емкости, их частотные и импульсные свойства потенциально много лучше;

-в диодах Шотки можно получить значительно меньшие напряжения открытого состояния по сравнению с кремниевыми р-п диодами. Поэтому тепловые потери в диодах Шотки значительно меньше.

3.Методические указания по выполнению

3.1.Вызвать программу лабораторной работы, для чего кликнуть мышью на ярлыке ЛАБ2 на рабочем столе.

3.2.Ввести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта и данным таблицы 1. При вводе чисел пользоваться

экспоненциальной формой записи, например, число		вводится как ЗЕ15, а
число	как 1Е-4. Результаты расчета занести в табл. 2.

3.3.Изменить исходные данные так, чтобы сопротивление омического контакта уменьшилось. Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2.

3.4.Изменить исходные данные так, чтобы толщина перехода увеличилась (что увеличивает напряжение пробоя). Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2.

3.5.Изменить исходные данные так, чтобы уменьшилась барьерная емкость перехода. Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2.

4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

-название и цель работы;

-рисунки обоих вариантов перехода (с экрана);

-заполненную табл. 2.

12

5.Контрольные вопросы

1.Какой характер и почему имеют металло-полупроводниковые

переходы при 2. Какой характер и почему имеют металло-полупроводниковые

переходы при

3.Как на свойствах металло-полупроводниковых переходов отражается состояние поверхности полупроводника?

4.От чего зависит сопротивление омического контакта?

5.Какой вид имеет ВАХ контакта Шотки? От чего зависит тепловой ток?

6.От чего зависит напряжение пробоя контакта Шотки? Как его можно увеличить?

7.От чего зависит барьерная ёмкость контакта Шотки? Какова её роль? Как её можно уменьшить?

8.В чём и почему диоды Шотки превосходят р-n диоды? В чём им уступают?

Таблица 1. Данные исходных вариантов

13

Таблица 2. Результаты исследования

14 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ИХ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ

1. Цель работы

Изучение особенностей полупроводниковых диодов различных типов и их компьютерных моделей различной степени сложности и точности.

2.Задание

1.Ознакомиться с особенностями моделей полупроводниковых диодов при различных требованиях к их сложности и точности.

2.Ознакомиться с уравнениями и параметрами модели диода программы Microcap (MC2).

3.С использованием программы МС2 получить вольтамперную характеристику (ВАХ) диода заданного типа.

4.По полученной ВАХ и параметрам модели определить:

-тип полупроводника (кремний, германий, арсенид галлия) и тип перехода диода (р-n диод, диод Шотки);

-назначение диода (сильноточный, высоковольтный, стабилитрон с лавинным пробоем, стабилитрон с туннельным пробоем, импульсный, высокочастотный, варикап).

3.Краткие теоретические сведения

Простейшей моделью полупроводникового диода, независимо от его типа является электронный ключ, обладающий нулевым сопротивлением при прямом напряжении и бесконечным - при обратном. Такая модель отражает главное свойство диода - одностороннюю проводимость. Однако при этом не учитывается конечность и нелинейность сопротивления диода. Поэтому более совершенной является модель, основывающаяся на формуле Шокли («теоретической» или «идеализированной» ВАХ):

Диод при этом рассматривается как зависимый источник, зависимость тока I которого от приложенного напряжения U описывается выражением (1).

Но и такая модель не отражает важнейших свойств реального полупроводникового диода - возникновение пробоя при обратном напряжении и вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших токов (рис. 1). Кроме того, такая модель не учитывает инерционные свойства диода: согласно (1), поведение диода не зависит от частоты и времени, т.е. частотные и импульсные свойства полагаются идеальными.

Рис. 1. Идеализированная (1) и	Рис. 2. ВАХ компьютерной модели
реальная (2) ВАХ диода	программы Microcap2

Примером более точной модели является модель программы Microcap2. В этой модели диод представляется как зависимый источник тока, описываемый не одним, а тремя уравнениями. Его частотные и импульсные свойства учитываются введением в эквивалентную схему емкости диода С, а уточнение ВАХ достигается введением в неё сопротивления утечки RP:

Везде здесь используются принятые в программе обозначения и форма записи. На рис. 2 приведен графический вид ВАХ этой модели.

Разбиение ВАХ на три участка позволяет максимально упростить уравнения (два из них - уравнения прямой).

Уравнения (2) и (4) описывают близкие к прямой участок пробоя и область больших прямых токов. Наклон этих участков определяется параметрами модели RZ и RF соответственно. RZ близко по величине к дифференциальному сопротивлению на участке пробоя dU/dI. RF приблизительно равно сопротивлению базы диода . Оба эти параметра, как и все другие параметры модели, выбираются такими, чтобы получить максимальное приближение к ВАХ реального диода.

16

Уравнение (3) - формула Шокли (здесь термический потенциал VT = = kT/q). Эта формула, полученная для идеализированного р-n перехода, даёт нереальный - ничтожный и не зависящий от напряжения обратный ток IS (тепловой ток ). Поэтому к нему прибавляется ток утечки V/RP, протекающий через сопротивление утечки RP эквивалентной схемы. Выбором RP можно придать необходимый наклон допробойной области обратных напряжений. На всех других участках ВАХ, где токи большие, ток V/RP практически не сказывается.

В данной модели сильная и сложная зависимость теплового тока от температуры Т учитывается соотношением:

где I0 - тепловой ток при комнатной температуре EG - ширина запрещенной зоны, к - постоянная Больцмана.

Границей, где экспоненциальная ВАХ переходит в линейную, является точка с координатами VC, IС, которые также являются параметрами модели.

Свойства диода при переменном токе учтены введением в эквивалентную

схему полной емкости С:
С = CJ + CD,	(6)

где CJ и CD - барьерная и диффузионная емкость диода соответственно. Эти емкости определяются обычными формулами:

где CJ0 - барьерная емкость при нулевом напряжении, VJ - равновесная контактная разность потенциалов, М - коэффициент, учитывающий степень влияния обратного напряжения на величину барьерной емкости, TAU — среднее время жизни неосновных носителей в базе, I - прямой ток.

Таким образом, данная модель включает следующие параметры:

I0 — saturation current - ток насыщения (тепловой ток) при Тк о м н ; VZ - Zener voltage - напряжение пробоя;

RZ - Zener resistance - дифференциальное сопротивление на участке

пробоя;

RF - minimum forward resistance - минимальное сопротивление открытого состояния;

В программе, как и вообще в иностранной технической литературе - ток насыщения.

17

С JO - zero-bias junction capacitance - барьерная емкость при нулевом напряжении;

RP - reverse leakage resistance - сопротивление утечки; EG - energy gap - ширина запрещенной зоны;

М - grading coefficient - показатель степени в выражении для барьерной емкости;

VJ -junction potential - контактная разность потенциалов;

TAU - transit time - среднее время жизни неосновных носителей в области базы.

Рассмотренная модель позволяет отразить специфику диодов различного типа и назначения:

-тип полупроводника и перехода учитывает параметр EG (1.11 эВ для кремниевого р-п диода, 0.67 эВ для германиевого, 1.4 эВ для арсенидгаллиевого, 0.69 эВ для диода Шотки);

-высоковольтные диоды имеют большое напряжение пробоя (до нескольких сотен Вольт), что достигается только в кремниевых р-n диодах;

-сильноточные диоды отличаются особенно малым дифференциальным сопротивлением открытого состояния (тысячные доли Ом). В настоящее время это преимущественно диоды Шотки, которые отличаются также малым падением напряжения при больших токах (0.4 В и менее);

-стабилитроны - это всегда кремниевые р-n диоды, с типичными значениями напряжения пробоя 3...30В и малым дифференциальным сопротивлением в состоянии пробоя. При напряжении пробоя (стабилизации) менее 6 В характер пробоя - туннельный, более 6 В - лавинный. При напряжении пробоя примерно 6 В характер пробоя - смешанный;

-варикапам свойственна наиболее сильная зависимость барьерной емкости от обратного напряжения (М до 1 и более);

-импульсным и высокочастотным диодам свойственны малая барьерная емкость (обычно менее 1 пФ) и малое время жизни неосновных носителей (обычно не более 10 не);

-германиевым р-п диодам и диодам Шотки свойственно напряжение открытого состояния 0.3...0.4 В, кремниевым р-п диодам - 0.6...1 В, арсенидгаллиевым - около 1.5 В (определяется по прямой ветви ВАХ).

Рассмотренная модель не учитывает ряд более тонких особенностей реальных диодов. Так, идеализацией является линейное представление всей области пробоя и всей области больших токов. В допробойной области обратного напряжения здесь учитывается, по существу, только сопротивление утечки, тогда как обратный ток имеет более сложную природу.

Примером более точной и сложной модели диода является модель профессиональной программы PSPICE, в которой число параметров модели достигает 30.

18

4.Методические указания по выполнению работы

4.1.Вызвать программу, кликнув мышью на ярлыке МС2. На экране появится пустое окно программы Microcap2.

4.2.Вызвать на экран схему заданного преподавателем варианта 1 - 6. Каждому варианту соответствует один из шести типов диодов: MR1396, MBR6045, 1N4001, 1N3019, 1N748, 1N5142. Записать название заданного диода. Название схемы содержит три знака - букву D (диод), номер варианта и букву F (от слова forward) для случая прямого напряжения или букву R (от слова reverse) для случая обратного напряжения. Пример названия схемы - D3F.

Для вызова схемы следует нажать F, 1, а затем название схемы, например D3F и ENTER. На экране появится схема, моделирующая включение заданного диода при прямом напряжении. Ток диода определяется пересчетом (самой программой) напряжения на резисторе R = 0.001 Ом.

4.3.Получить на экране прямую ветвь ВАХ диода, для чего нажать А, 3, Y. На экране появится график прямой ветви ВАХ. Последней точке оси X соответствует напряжение 1 В = 1000 мВ, последней точке оси Y - ток 1 А = 1000 мА. Зарисовать ВАХ с указанием фактических масштабов.

4.4.Определить по прямой ветви напряжение отпирания диода U*. Считать его равным координате точки, найденной продолжением линейного (верхнего) участка ВАХ.

4.5.Определить по прямой ветви ВАХ минимальное дифференциальное сопротивление открытого состояния RF = AU/AI. Приращения напряжения и тока определять в самой верхней (линейной) части ВАХ.

4.6.Вызвать на экран схему для моделирования случая обратного напряжения (например, для варианта №3 следует нажать F, 1, D3R, ENTER).

4.7.Получит на экране обратную ветвь ВАХ диода (нажать А, 3, Y). В этом случае напряжение на оси X указано в Вольтах, а ток всей оси Y - 1 мА - 1000 мкА. Зарисовать ВАХ с указанием фактических масштабов.

4.8.Определить по обратной ветви сопротивление утечки RP = U/I.

4.9.Определить дифференциальное сопротивление в состоянии пробоя RZ = AU/AL Если это невозможно из-за слишком большой крутизны участка пробоя, принять RZ = 0.

4.10.Извлечь из библиотеки параметров элементов программы параметры модели заданного диода (нажать ESCAPE, L, 1, ENTER). Название диода указано в верхней части страницы библиотеки. Поиск в библиотеке необходимого диода осуществляется с помощью клавиши N (переход к следующему типу) и клавиши L (переход к предыдущему типу). Выписать параметры модели и сравнить их с параметрами, определенными по ВАХ.

4.11.По результатам моделирования и параметрам модели определить:

-тип перехода исследованного диода (кремниевый, германиевый или арсенид-галлиевый р-п диод, диод Шотки);

-назначение диода (высоковольтный, сильноточный, импульсный, варикап, стабилитрон с лавинным пробоем, стабилитрон с туннельным пробоем). Письменно обосновать решение.

19

5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

-название, цель работы;

-рисунки с прямой и обратной ветвью ВАХ; -таблицу, содержащую:

-условное обозначение параметра модели;

-полное название каждого параметра;

-библиотечное значение параметров;

-значения параметров, найденные по ВАХ;

-обоснование решения о типе перехода и назначении диода.

6.Контрольные вопросы

1.Как моделируется идеализированный р-п переход? Сколько параметров в такой модели?

2.Чем отличаются ВАХ идеализированного и реального диодов?

3.Перечислите и поясните физический смысл параметров модели программы МС2.

4.Какие свойства реального диода отражают соотношения (2) - (8)?

5.Чем отличаются ВАХ германиевого, кремниевого, арсенид-галлиевого р-n диодов, диода Шотки?

6.В чем заключаются особенности высоковольтных диодов? Сильноточных?

7.Чем отличаются стабилитроны с туннельным и лавинным пробоем?

8.Чем отличаются высокочастотные и импульсные диоды?

9.В чем заключаются особенности варикапов?

10.В чем заключаются недостатки модели диода в программе Microcap2 ?

20

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ МДП-СТРУКТУРЫ

1. Цель работы

Изучение особенностей структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) и возможностей её применения в электронике.

2.Задание

1.Ознакомиться с типами и физическими свойствами МДП-структур.

2.Ознакомиться с основными параметрами МДП-структур и возможностями их изменения при изготовлении.

3.Пользуясь программой лабораторной работы, определить для заданного варианта исходных данных параметры МДП-структуры и МДПтранзистора на её основе.

4.Предложить способы улучшения параметров, доказать возможность этого повторением расчётов при самостоятельно изменённых исходных данных.

3.Краткие теоретические сведения

МДП-структура представляет собой контакт, образованный тремя слоями: металла, диэлектрика и полупроводника. Наиболее распространена структура с кремнием (Si) p- или п- типа в качестве полупроводника и с двуокисью кремния (SiO2) в качестве диэлектрика (рис. 1, а).

Оба эти материала отличаются высокими электрофизическими характеристиками, механической и химической прочностью, хорошей совместимостью с технологией изготовления интегральных схем. При добавлении двух электродов - истока и стока, МДП-структура превращается в наиболее распространённый на сегодняшний день тип транзистора - МДПтранзистор (рис. 1, б). В дальнейшем будут рассматриваться МДП-структура и