Loading AI tools
Из Википедии, свободной энциклопедии
Вольт-фара́дная характери́стика (англ. capacitance-voltage (CV-) characteristic, по-русски иногда озвучивается как «цэ-вэ-характеристика») — зависимость дифференциальной ёмкости образца от поданного на него опорного напряжения , на которое накладывается малая синусоидальная добавка. Ёмкость здесь определяется как отношение амплитуды изменения заряда одного знака в образце при действии синусоидального сигнала с амплитудой и частотой к величине . Вариация опорного напряжения при записи кривой предполагается медленной.
Название связано с единицами измерения напряжения и ёмкости в СИ — соответственно, вольт и фарад.
Вольт-фарадные характеристики могут быть получены — рассчитаны или измерены — для широкого класса приборов и структур. Чаще всего они изучаются применительно к полупроводниковым системам с барьерами, как то pn-переходы, барьеры Шоттки и особенно МДП-структуры (МДП = металл-диэлектрик-полупроводник). Частотный диапазон, в принципе, не ограничен (популярен диапазон от статики до 1 МГц; ), на практике вид CV-кривых сильно зависит от , что обусловлено ограниченной быстротой реакции среды на изменение внешнего электрического поля.
Измерения вольт-фарадных характеристик дают значимые сведения о качестве материалов в структуре, наличии дефектов на границах составляющих её слоёв. Они широко распространены в полупроводниковой технологии, в первую очередь при работе со структурами, в которых почти нет сквозного переноса заряда (хотя метод применим и при наличии токов).
При записи CV-кривой прикладываемое к образцу напряжение меняется по закону
где — медленно изменяемая (обычно линейно со временем) «опорная» составляющая напряжения, а — амплитуда малого синусоидального сигнала, используемого для измерения, — время, — частота вариации напряжения, — начальная фаза.
При этом заряд в структуре ведёт себя по тому же закону (возможно, со сдвигом по фазе, несущественным в данном контексте):
Здесь образец рассматривается как конденсатор и речь идёт о заряде одной из условных обкладок.
Соответственно, малосигнальная ёмкость будет
При рассуждениях о вольт-фарадных характеристиках под имеется в виду именно эта величина (а не ). Для статики (нулевой частоты) можно продифференцировать соотношение :
Измерение заряда может осуществляться посредством диагностики нестационарного тока зарядки-разрядки образца через его выводы в процессе подачи напряжения :
Как аргумент (то есть как величина, откладываемая по горизонтальной оси) при построении графика ёмкости) используется опорное напряжение .
Частотная зависимость вида CV-характеристик может быть обусловлена
Простой пример первого из указанных эффектов — измерение CV-характеристики конденсатора с однородным диэлектриком. Эта характеристика будет горизонтальной прямой линией, однако её положение будет меняться вследствие const.
Второй эффект в основном сказывается в областях пространственного заряда в полупроводниковых структурах, где происходит термическая генерация и разделение электронно-дырочных пар. При высоких частотах может оказаться так, что генерация не успевает за сигналом , в результате чего оказывается совсем малой величиной (естественно, такая ситуация физически отличается от низкочастотной).
Структуры металл-диэлектрик-полупроводник относятся к важнейшим объектам из тех, для которых выполняются вольт-фарадные измерения. При этом сами такие структуры, представляя собой затворную секцию полевого транзистора (MOSFET), играют суперзначимую роль в технической физике полупроводников.
МДП-структура может находиться в одном из трёх зарядовых состояний: аккумуляции, обеднения и инверсии. Аккумуляция — это режим, когда в полупроводнике вблизи границы диэлектрик-полупроводник индуцируется область из основных подвижных носителей заряда (электронов для подложки n-типа проводимости или дырок для подложки p-типа). Инверсия — противоположный режим: у упомянутой границы индуцируются электроны, когда подложка p-типа, и дырки если она n-типа. Наконец, обеднение характеризуется тем, что концентрация основных носителей в некоторой, более широкой, чем слой обогащения или инверсии, области снижается в сравнении с равновесным случаем.
Для каждого из зарядовых состояний существуют свои тренды поведения вольт-фарадных характеристик. Пример на анимации соответствует подложке p-типа, «gate voltage» — это напряжение на металлическом электроде по отношению к подложке; то есть ситуация аккумуляции реализуется при отрицательных напряжениях, а обеднения или инверсии — при положительных. Кривые нормированы на величину ёмкости слоя диэлектрика, в данном случае оксида (построена величина ). Представлены низкочастотная (красная кривая) и высокочастотная (синяя) ёмкости; расчет выполняется для серии толщин оксида 10—100 нм, высвечиваемых под графиком. Для аккумуляции кривые для разных частот одинаковы, а для другой полярности напряжения наблюдаются радикальные различия, а именно в «синем» случае генерация «не успевает» и ёмкость при повышении напряжения остаётся низкой.
Реально измеренная характеристика может отличаться от теоретической положением вдоль горизонтальной оси, неповторяемостью кривой при проходе её влево и вправо, искажением формы. Такие детали подлежат анализу в каждом конкретном случае и указывают на наличие паразитных зарядов (в диэлектрике и на границе диэлектрик-полупроводник), которые к тому же могут количественно изменяться в зависимости от величины приложенного напряжения .
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.