Вы здесь

Частотні перетворювачі тиску на основі транзисторних структур з від'ємним опором

Автор: 
Білоконь Наталія Леонідівна
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2005
Артикул:
3405U000607
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА ЧАСТОТНИХ ПЕРВИННИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТИСКУ НА ОСНОВІ РЕАКТИВНИХ
ВЛАСТИВОСТЕЙ
МДН-ТРАНЗИСТОРНИХ СТРУКТУР
Сучасний рівень розвитку інформаційно-вимірювальної техніки характеризується
різноманітністю методів перетворення первинної вимірюваної величини в
електричний сигнал. Застосування частотного сигналу в якості інформативного
параметру первинних вимірювальних перетворювачів, зокрема перетворювачів тиску,
супроводжується високою завадостійкістю передачі, простотою та значною точністю
перетворення в цифровий код, зручністю комутації в багатоканальних
інформаційно-вимірювальних системах, можливістю відмовитися від застосування
аналого-цифрових перетворювачів для обробки вихідного сигналу, що покращує
економічні показники вимірювальних пристроїв контролю та керування [76, 86].
Перспективним напрямком вирішення задачі є розробка частотних перетворювачів на
основі транзисторних структур , в яких за рахунок позитивних зворотніх зв’язків
виникає диференційний від’ємний опір. Вплив тиску на напівпровідникові
структури добре досліджений в роботах [12, 13, 37], але властивості частотних
перетворювачів тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором майже
не досліджені.
Створення частотного перетворювача тиску на основі МДН-транзисторної структури
потребує розробки його математичної моделі, на основі якої можна визначити
залежності вольт-амперної характеристики, активної і реактивної складових
повного опору структури, резонансної частоти від тиску, отримати рівняння
чутливості перетворення, та дослідження параметрів та характеристик
перетворювача. Вирішенню цих задач присвячений зміст даного розділу.
2.1. Теоретичні основи деформаційного ефекту в
МДН-транзисторних структурах
В якості деформаційних приростів основних електрофізичних параметрів, що
обумовлюють зміну параметрів та характеристик напівпровідникових структур під
дією тиску, виступають зміщення енергетичних рівнів напівпровідника [109-112],
зміна ефективних мас та рухливостей носіїв струму [37, 39, 45]. Вважається, що
в домішкових напівпровідниках зміна часу життя носіїв струму під дією тиску
відсутня [37].
При деформуванні напівпровідника під дією тиску дно зони провідності та вершина
валентної зони зміщуються з відповідним розщепленням їх країв. Таким чином,
зміна положення валентної зони DЕv та розщеплення її вершини під дією тиску
визначається за виразом [44]:
, (2.1)
де
, (2.2)
а, b, d - константи деформаційного потенціалу для валентної зони;
D- зміна об’єму напівпровідникового матеріалу при дії тиску
, (2.3)
eij - компоненти тензора деформації.
Зміна положення зони провідності у відсутність деформації зсуву та її
розщеплення під дією тиску описується виразом, записаним у загальному вигляді
, (2.4)
де Xd та Xu - константи деформаційного потенціалу для зони провідності;
індекс і = 1, 2, 3 (індекс і = 1, відповідає енергетичним мінімумам, розміщеним
у напрямках та зворотньому до нього, аналогічно індекс і = 2 - та
зворотньому, і = 3 - та зворотньому).
При наявності деформації зсуву зміна положення зони провідності та її
розщеплення під дією тиску описується загальним виразом
, (2.5)
де DЕ – різниця енергій між тими рівнями, які є нижніми у відсутність тиску;
Xu’ – константа деформаційного потенціалу, яка характеризує вплив зсуву;
f № j № i - індекси ( f = 1, 2, 3; j =1, 2, 3).
Ефективна ширина забороненої зони в деформованому напівпровіднику Еg(Р) - це
відстань між розщепленими найближчими рівнями валентної зони та зони
провідності, а величина її зміни під дією тиску DЕg(Р), тобто деформаційний
приріст визначатиметься за формулою [39]
, (2.6)
де DЕv(Р) - зсув того рівня валентної зони, який в результаті деформації під
впливом тиску виявився верхнім;
DЕс(Р) - зсув мінімуму зони провідності, що виявився нижнім.
При достатньо великих значеннях тиску (для кремнію P>107 Па) відбувається
перетікання електронів тільки на нижні мінімуми зони провідності, отже
ефективна маса електронів фактично залишається незмінною. Величини ефективних
мас дірок при великих значеннях тиску обумовлюються тим значенням ефективної
маси, що відповідає верхній валентній зоні, при умові, що при даному значенні
тиску здійснюється нерівність DЕv >> Е(k), де Е(k) – енергія носіїв струму в
недеформованому напівпровіднику. Так, при виконанні цієї умови для кремнію
ефективні маси дірок рівні mз7з7/m0 = 0,31, m^^/m0 = 0,21.
Рис.2.1. Залежність ширини забороненої зони від тиску
При невеликих тисках (для кремнію Pучасть всі енергетичні мінімуми та змінюється рухливість носіїв струму [37],
але при достатньо великих значеннях тиску рухливість перестає змінюватися, та
всі зміни характеристик напівпровідникових приладів відбуваються за рахунок
суттєвої залежності концентрацій неосновних носіїв струму Nнеосн(np, pn) і
власної концентрації носіїв струму nі від тиску.
При дії тиску ширина забороненої зони змінюється на величину за формулою (2.6),
тоді концентрація носіїв у власному напівпровіднику дорівнює [37]
, (2.7)
де ni0 - концентрація носіїв заряду у власному напівпровіднику в
недеформованому стані.
Отже, деформаційний приріст Dni визначається за виразом
, (2.8)
Концентрації носіїв заряду в області n-типу провідності при концентрації
донорної домішки ND>>ni під дією тиску дорівнюють [37]
, (2.9)
. (2.10)
Оскільки у відсутність деформації та , то деформаційні прирости концентрацій nn
та pn визначаються за загальним виразом
, (2.11)
Аналогичні виразам (2.9), (2.10) можуть бути записані вирази для концентрацій
носіїв заря