Microsoft Word - 8 Laboratorinis darbas.doc

Transkriptas

1 Laboratorinis darbas Nr. 8 MOP (metalo sido puslaidininkio) struktūrų tyrimas aukštadažniu -V charakteristikų metodu Darbo tikslas: 1. Nustatyti puslaidininkio laidumo tipą. 2. Nustatyti legiravimo priemaišų paviršinę koncentraciją N L. 3. Nustatyti fiksuotą sido krūvį Q f. 4. Nustatyti jonizuotų paviršinių būsenų tankį N ss. Priemonės: puslaidininkinės plštelės su MOP struktūromis, voltmetras, talpumo matulis, nuolatinės srovės šaltinis, stalelis plštelėms. Teorinis įvadas Puslaidininkių paviršių elektriniai procesai tiriami keičiant ir matuojant judančių paviršinių krūvininkų koncentraciją. Tam naudojamas elektrinis laukas, statmenas puslaidininkio paviršiui ir galintis valdyti judančių krūvininkų koncentraciją. - V (voltfaradinių) charakteristikų metodas pagrįstas krūvininkų koncentracijos priklausomybe nuo talpos tarp puslaidininkio ir elektrodo. Tam naudojama MOP struktūra, kurią sudaro metalas - sidas - puslaidininkis. Tiriant MOP struktūros elektroninius procesus, pasireiškia skiriamosios ribos sidas - puslaidininkis ypatumai, nulemiantys dielektriko ir puslaidininkio paviršių savybes. Draustinėje puslaidininkio juostoje yra energijos lygmenys, lalizuoti skiriamojoje puslaidininkis - sidas riboje ir sido slusnyje, kur ir susikaupia paviršinis krūvis Q p. Skiriamos trys paviršinio krūvio komponentės, skirtingai reaguojančios į išorinį elektrinį lauką: Q p = Q f + Q m + Q cc, čia Q f - fiksuotas krūvis side, pastumiantis - V charakteristiką X (abscisių) ašimi, bet nepakeičiantis jos formos. Q m - krūvis, lėtai kintantis, veikiant elektriniam laukui arba elektrotermiškai apdorojant, ir sąlygojantis struktūros elektrinių savybių nestabilumą. 37

2 Q cc - paviršinių būsenų, išsidėsčiusių ant skiriamosios sidas - puslaidininkis ribos, krūvis. Būsenos gali keistis krūviais su puslaidininkiu. Dėl to Q cc greitai kinta kintant elektriniam laukui. Pakeičia - V charakteristikos formą. Tobula MOP struktūra Tobula vadiname tią MOP struktūrą, kurios puslaidininkio paviršiuje nėra paviršinių būsenų, o sidas - tobulas dielektrikas. Tariama, kad išlaisvinimo iš metalo ir iš puslaidininkio darbų skirtumas lygus nuliui. Tada puslaidininkio energijos juostos bus plščios. Prie MOP - struktūros elektrodo prijungus teigiamą išorinę įtampą, ji sukuria elektrinį lauką, pritraukiantį elektronus iš puslaidininkio tūrio į jo paviršių. n tipo puslaidininkio paviršius prisipildo pagrindinių krūvininkų, padidėja paviršinis potencialas, ir energijos juostos išsilenkia. Tiame režime paviršius yra praturtinimo būsenoje (1 pav. a). Praturtinimo būsenos erdvinio krūvio sritis maža (< 10 nm), o krūvis eksponentiškai priklauso nuo paviršiaus potencialo. Esant stipriam praturtinimui, puslaidininkio paviršiaus talpa tia didelė, kad MOP struktūros talpa praktiškai lygi sido talpai : čia = ε ε - sido dielektrinė skvarba, S - elektrodo plotas, d - sido storis. d S, (1) V>0 ϕ n >0 E c E F E i V<0 ϕ n <0 E c V<<0 E F E i ϕ n <0 E c E F E i E V E V E V W inv W p W n a b c praturtinimo būsena nuskurdinimo būsena inversijos būsena W - erdvinio krūvio sritis ϕ n - paviršiaus potencialas 1 pav. Tobulos MOP - struktūros energetinės diagramos (n-tipo puslaidininkis) W n 38

3 Kai elektrodo įtampa neigiama, elektronai nustumiami nuo puslaidininkio paviršiaus, todėl paviršius netenka pagrindinių krūvininkų ir erdvinio krūvio srityje lieka nesukompensuoti nejudrūs teigiami jonai (donorinės priemaišos). Susidaro nuskurdintas slusnis (1 pav. b). Erdvinio krūvio srities talpa nusakoma nuskurdinto slusnio pločiu, kuris kinta pagrindiniams krūvininkams judant elektriniame lauke. Didinant neigiamą įtampą, be erdvinio krūvio srities platėjimo, į paviršių traukiami nepagrindiniai krūvininkai - skylutės. Kai skylučių koncentracija tampa didesnė už elektronų koncentraciją, laidumo tipas prie puslaidininkio paviršiaus keičiasi į priešingą - atsiranda inversinis slusnis (1 pav. c). Jo plotis mažesnis nei nuskurdinto slusnio. Realios MOP struktūros - V charakteristika Realios MOP struktūros metalo ir puslaidininkio išlaisvinimo darbų skirtumas nėra lygus nuliui. Tuomet ir be išorinės įtampos puslaidininkio paviršius įgyja perteklinį krūvį - teigiamą arba neigiamą, priklausomai nuo išlaisvinimo darbų skirtumo ženklo. Potencialų skirtumo tarp metalo ir puslaidininkio sukuriamas elektrinis laukas susideda su išorinės įtampos sukuriamu lauku, todėl - V charakteristikos pasislenka įtampų ašimi. Vadinasi, - V charakteristikų metodu galima nustatyti išlaisvinimo darbų skirtumą. Atitinkamą - V charakteristikų postūmį gauname esant fiksuotam sido krūviui Q f (2 pav.). / 1,0 U pj 0, U 2 pav. Išlaisvinimo darbų skirtumo ir sido krūvio įtaka MOP struktūros -V charakteristikai 1 - tobula MOP struktūra 2 - reali MOP struktūra 39

4 Nustatant plščių juostų įtampą U pj, kai išorinės įtampos sukurtas laukas kompensuoja fiksuoto sido krūvio ir išlaisvinimo darbo sukuriamą lauką, galima užrašyti: U pj = Ε nm q Q f +, (2) čia E nm - išlaisvinimo darbų skirtumas (puslaidininkis - metalas), Q f - fiksuotas sido krūvis (jis gali būti teigiamas arba neigiamas). Yra keletas legiruotų priemaišų paviršinės koncentracijos nustatymo būdų. Visi jie pagrįsti nuskurdinto slusnio talpos priklausomybės nuo legiruotų priemaišų koncentracijos analize. Plačiai taikomas legiruotų priemaišų koncentracijos nustatymas pagal MOP struktūros talpą inversijos režime inv. Esant pakankamai aukštam dažniui, MOP struktūros talpa inversijos režime lygi : = + nus nus, (3) čia nus - nuskurdinto slusnio talpa inversijos režime, apskaičiuota iš lygybės: nus = d Q d Paviršiaus potencialas ϕ n gali būti nustatytas iš formulės: čia E - draustinės juostos plotis, ϕ n = - Ε q N* - leistina būsenų koncentracija, N L - legiruotų priemaišų koncentracija. nus ϕ n kt ln N L + 2, N * Ši lygybė negali būti algebriškai išspręsta N L atžvilgiu, todėl, nustatant N L pagal išmatuotas ir inv, naudojamės grafinėmis fiksuotam N L (3 pav.).. inv = f (' ) priklausomybėmis, esant Darbo eiga 1. Sujungti grandinę pagal pavaizduotą blinę schemą: MOP talpumo matulis V š įtampos šaltinis 40

5 2. Ištirti dviejų tipų MOP- struktūras: 2.1. Keičiant šaltinio įtampą U š, užrašyti talpumo matulio rodmenis; 2.2. Matavimų ir skaičiavimų duomenis surašyti į lenteles:, pf, pf U š, V /, pf, pf U š, V / grafiku Nubraižyti = f( U ) grafikus. s 3. Iš gautų - V charakteristikų nustatyti puslaidininkio laidumo tipą. 4. Legiravimo priemaišų paviršinei koncentracijai N L nustatyti pasinaudoti 3 pav. Oksido talpą ploto vienetui apskaičiuoti iš formulės: =, (S I =1 cm 2 ), I S čia = ε ε os d, d = 0,07 µm ; ε = 3,82; ε o = 8, F/m ; S = 1 mm 2. inv nustatyti iš - V charakteristikos, kur inv min =. max Iš 3 pav. nustatyti α - legiravimo laipsnį. Išsprendus lygtį α = lg N L, gauti legiruotų priemaišų paviršinę koncentraciją N L. 5. Oksido krūvis ploto vienetui nustatomas iš formulės: Q f = U pj, čia - sido talpa ploto vienetui, U pj - plščių juostų įtampa - poslinkis tarp teorinės ir eksperimentinės - V charakteristikų. Plščių juostų įtampą išmatuoti esant tam tikrai pj / santykio vertei. 41

6 Šią vertę rasti iš 4 pav. pavaizduoto grafiko, žinant legiravimo laipsnį α ir sido storį - d arba talpą. 3 pav. MOP - talpos inversijos režime priklausomybė nuo sido talpos, esant fiksuotam parametrui α = lg N L. 4 pav. pj / priklausomybė nuo sido storio ir talpos, esant fiksuotam priemaišų legiravimo laipsniui α. 6. Apskaičiuoti jonizuotų paviršinių būsenų tankį N ss : N ss = Q f e čia Q f - fiksuotas sido krūvis ploto vienetui, e - elektrono krūvis., 42