Загрузил sirca

Обработка и анализ кривых переходного тока, полученных методом CELIV

ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ КРИВЫХ ПЕРЕХОДНОГО ТОКА
ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ CELIV
№ регистрации по журналу
учета курсовых работ___________________________________
Дата защиты __________________________________________
Оценка_______________________________________________
подпись руководителя
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
3
ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ
4
ГЛАВА 2. LABVIEW - СРЕДА ПРОГРАММИРОВАНИЯ
9
ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА MIS CELIV В СРЕДЕ LABVIEW
11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
15
ЛИТЕРАТУРА
16
2
ВВЕДЕНИЕ
При создании машин, технических комплексов и других объектов
широко
используется
преобразования
материального
экспериментальных
Моделирование
моделирование.
и
мира
Как
моделирование
теоретических
представляет
собой
средство
научных
процесс
познания
и
применяется
в
исследованиях.
замещения
объекта
исследования некоторой его моделью и проведение исследований на модели с
целью получения необходимой информации об объекте.
Применение математического моделирования при проектировании в
большинстве случаев позволяет отказаться от физического моделирования,
значительно сократить объемы испытаний и доводочных работ, обеспечить
создание технических объектов с высокими показателями эффективности и
качества. Одним из основных компонентов системы проектирования в этом
случае становится математическая модель.
Физическое моделирование широко применялось до недавнего времени
при
создании
сложных
технических объектов. Однако данный вид
моделирования сопряжен с большими временными и материальными
затратами.
В связи с этим целью данной курсовой работы является изучение
моделирования физических процессов в программе LabVIEW. В качестве
физической модели рассматривали метод - вытягивание введенного (injected)
носителя заряда. Этот метод может быть применен для исследования свойств
переноса носителей заряда в MIS (металл-диэлектрик-полупроводник)
структурах и в похожих структурах. Метод также может быть использован
для нефоточувствительных материалов и непросвечивающих диэлектриках.
3
Глава 1. ТЕОРИЯ
В структурах метода MIS дырки будут направлены через органический
слой и будут скапливаться возле полупроводника-диэлектрика, когда будет
приложено отрицательное напряжение U of f . (рисунок 1а)
Рис. 1. Приложенное напряжение (а) и соответствующий ток экстракции (б).
Распределение дырок в стационарном состоянии можно найти,
принимая во внимание диффузию и дрейф:
j = μκT
dp(x)
dx
+ ep (x) μp (x) E (x) = 0,
(1)
где μ -подвижность дырок, p – плотность дырок, Е - электрическое поле
Используя теорему Гаусса:
d2 E(x)
dx2
=
ep(x)
ԑs ԑ0
(2)
где ԑs ԑ0 - диэлектрическая проницаемость полупроводников, получаем
d2 E(x)
dx2
+
e
kT
E (x)
(3) имеет решения вида:
4
dE(x)
dx
= 0,
(3)
E (x) =
(
dI
U of f
+
(
e
2kT
p (x) = p (0) 1 +
−1
)
x
,
(4)
−2
eU of f
,
2kT dI x
)
(5)
dI - толщина диэлектрика (рисунок 2)
Рис. 2. Распределение электрического поля (а) и плотность дырок (b): сплошная
линия – начальное распределение и пунктирная линия – во время извлечения SCLC (Space
Charge Limited Current) mode.
В случае
полупроводника,
eU of f ≫kT , когда емкость диэлектрика больше емкости
носители
заряда
5
будут
концентрироваться
возле
диэлектрика-полупроводника. Эти носители заряда могут быть извлечены
линейным увеличением напряжения с ростом скорости V A =
dU
.
dt
Пространственный заряд, ограниченный переходным током (SCLC)
дырок, может быть записан:
j (t) = eμp (x, t) E (x, t) + ԑs ԑ0
Когда
емкость
диэлектрика
dE(x,t)
dt
намного
(6)
больше,
чем
емкость
полупроводника, среднее перехода SCLC в полупроводнике на промежутке
0 < x < ds
в течение времени tts (время за которое носители заряда
достигнут противоположного электрода) с граничными условиями Е=0
при х=0:
j (t) =
εs ε0 A
ds
+
εs ε0 μ 2
2ds E
(ds , t) = εs ε0
dE(ds ,t)
dt
(7)
Решая уравнение (7), получаем соотношение (промежуток I на рисунке 2):
∆j(t)
j(0)
= tan2
( )
t
ttr
tsc = 0.92ttr,
(8)
(9)
где j (0) – плотность смещенного тока, ∆j – плотность тока проводимости и
ttr = ds
√
2
μA
(10)
- малое время перехода заряда в случае линейного возрастания напряжения.
Учитывая емкость диэлектрика:
ttr = ds
√
2
μA
(1 + ),
εs dI
εI ds
εI – относительная диэлектрическая проницаемость.
6
(11)
Когда t≫ttr , ток будет расти (промежуток II на рисунке 2):
∆j(t)
j(0)
=
9t2
4t2tr
(12)
В тоже время, ток экстракции не превышает тока зарядки в изоляторе
емкостью C I . Таким образом, плотность насыщенного тока (промежуток III
на рисунке 2):
j sat =
εs ε0 A
dI
(13)
После экстракции всех носителей заряда, ток упадет до начального
значения j (0) .
В случае малой экстракции заряда (это указывается в эксперименте
условием ∆j ≤ j (0) ), максимальный ток будет в момент времени ttr
и
подвижность может быть найдена в соответствие с (11)
Если количество носителей заряда больше, чем в электроде в момент
времени ttr , то переход SCLC наблюдается и до момента времени tsc ,
плотность можно исследовать по формуле (8).
Удобно оценивать подвижность, используя момент времени t1 , когда
∆j = j (0) , потому что изгиб (kink) переходного тока в момент времени tsc
почти не заметен, в большинстве случаев за счет диффузии носителей заряда
и стохастической природы:
t1 = π4 ttr
(14)
Используя этот подход от переходного тока, мы можем оценить:
геометрическую емкость образца от начального тока J (0) = C g A;
εs dI
εI ds
от
соотношения плотности тока
∆j sat
j(0)
=
7
εs dI
εI ds ,
(15)
который удобно использовать для определения подвижности (см. (11));
поверхности плотностей носителей заряда, накопленных вблизи границы
раздела путем интегрирования плотности тока проводимости ∆j .
8
Глава 2. LabVIEW - СРЕДА ПРОГРАММИРОВАНИЯ
LabVIEW(англ.
Laboratory
Virtual
Instrumentation
Engineering
Workbench) – это среда разработки и платформа для выполнения программ,
созданных на графическом языке программирования “G” фирмы National
Instruments (USA). LabVIEW используется в системах сбора и обработки
данных,
а
также
для
управления
техническими
объектами
и
технологическими процессами.
Программа LabVIEW называется и является виртуальным прибором и
состоит из двух частей:
● блочной диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора;
Рис. 3. Блок-диаграмма.
9
● лицевой панели, описывающей внешний интерфейс виртуального
прибора.
Рис. 4: Лицевая панель.
Виртуальные приборы могут использоваться в качестве составных частей для
построения других виртуальных приборов.
Лицевая панель виртуального прибора содержит средства ввода-вывода:
кнопки, переключатели, светодиоды, верньеры, шкалы. Они используются
человеком для управления виртуальным прибором, а также другими
виртуальными приборами для обмена данными.
Блочная
диаграмма
содержит функциональные
источниками, приемниками
и
средствами
узлы,
обработки
являющиеся
данных. Также
компонентами блочной диаграммы являются терминалы и управляющие
структуры (условный оператор «IF», операторы цикла «FOR» и «WHILE»
и т. п.). Функциональные узлы и терминалы объединены в единую схему
линиями связей.
10
Глава 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА MIS CELIV В СРЕДЕ LabVIEW
Для обработки и анализа кривых переходного тока полученных методом
MIS CELIV нас будут интересовать следующие характеристики:
Таблица 1
№
Величина
1
Напряжение U
Значение
U = 1B
t = 10−4 c
2
Время t
3
Подвижность носителей заряда μ
4
Проницаемость εs
5
Толщина полупроводника ds
7
*
εs = 3, 4
Толщина диэлектрика dI
6
2
μ = 10−5 Всмс
Относительная диэлектрическая
dI = 10 нм
ds = 0.5 мкм
εI = 5
проницаемость εI
Для построения кривых переходного тока методом MIS-CELIV в среде
программирования LabVIEW будем использовать формулу (8) для I участка,
формулу
(12)
для II участка и формулу (13) для III участка с
соответствующими данными из таблицы 1.
11
Рис. 5. Реализация метода в среде LabVIEW для первого участка по формуле (8).
Рис. 6: Реализация метода в среде LabVIEW для второго участка по формуле (12).
12
Рис. 7: Реализация метода в среде LabVIEW для третьего участка по формуле (13).
Рис. 8. График зависимости
j
j(0)
от
t
ttr
13
для I участка.
j
j(0)
Рис. 9. График зависимости
Рис. 10. График зависимости
j
j(0)
от
от
t
ttr
t
ttr
для II участка.
для III участка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
14
Целью данной курсовой работы являлось изучение моделирования
физических процессов в программе LabView. В курсовой работе была
изучены статьи и материалы электронных ресурсов. На основании анализа
существующей литературы даны определения исходных теоретических
положений, а именно: распределение дырок в стационарном состоянии,
пространственный
заряд,
плотность
смещенного
тока,
плотность
насыщенного тока и т.д.
А также была написана программа, которая моделирует метод
MIS-CELIV в режиме реального времени (рис. 5, рис. 6, рис. 7). При этом она
строит график отношения плотности тока проводимости к плотности
смещенного тока
∆j(t)
j(0)
в зависимости от
t
ttr
. Модель является довольно
наглядной и с легкостью может быть использована в учебных целях.
Исходя
из графиков,
были
сделаны
следующие выводы: при
увеличении времени t, отношение плотности тока проводимости к плотности
смещенного тока
∆j(t)
j(0)
на I и II промежутках возрастает, на III - убывает.
15
ЛИТЕРАТУРА
1. Juska, G. Investigation of charge carriers’ transport from extraction
current transients of injected charge carriers [Текст] / G. Juska, N.
Nekrasas, K. Genevicius // Journal of Non-Crystalline Solids – 2012.
- №358. – С. 748-750.
2. Osterbacka, R. Appl. Phys. Lett [Текст] / R. Osterbacka, A.
Pivrikas, G. Juska, R. Genevicius, R. Arlauskas, H. Stubb. // Curr.
Appl. Phys. – 2004. - №4. – C. 534-538.
3. Campbell, I.H. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron [Текст] / I.H.
Campbell // Curr. Appl. Phys. – 2010. - №16. – C. 176.
4. Wikipedia. Среда разработки LabVIEW [Электронный ресурс] /
Wikipedia // 2007. – Режим доступа: http: // –
ru.wikipedia.org/wiki/LabVIEW (7 июня 2016).
16