В рамках изучения дисциплины «Наноэлектроника» студенты должны выполнить две лабораторные работы:

1. HEMT-транзисторы.

2. Светодиоды на основе ДГС.

Цель лабораторного практикума: ознакомиться с двумя основными приборами наноэлектроники, изучить принципы их работы, приобрести навыки экспериментального исследования приборов с помощью измерительной аппаратуры.

Выбор варианта лабораторных работ осуществляется по общим правилам с использованием следующей формулы:

V = (N × K) div 100,

где V – искомый номер варианта,

N – общее количество вариантов, div – целочисленное деление,

при V = 0 выбирается максимальный вариант,

K – код варианта.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

«ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ HEMT-ТРАНЗИСТОРОВ»

Цель работы

Целью данной работы является исследование характеристик транзистора с высокой подвижностью электронов HEMT.

Задание на работу

1. Определить предельно допустимые параметры транзистора ATF36163.

2. Исследовать выходную характеристику (I_C = f(U_СИ)/U_ЗИ = const) HEMT-транзистора при различных напряжениях на затворе (2–3 зависимости).

3. Исследовать передаточную характеристику (I_C = f(U_ЗИ)/U_СИ = const) HEMT-транзистора при различных напряжениях сток – исток (2–3 зависимости).

Описание лабораторной установки

Рис. 2.4 – Схема экспериментальной установки

Принцип работы HEMT-транзистора базируется на принципе работы полевого транзистора, в котором моделируется сопротивление исток – сток напряжением на затворе.

При подаче нулевого смещения на затвор транзистора у нормально закрытого не будет течь ток исток – сток, у нормально открытого – будет течь ток. При подаче положительного смещения на затвор нормально закрытого транзистора происходит притягивание носителей заряда (электронов) из донорного слоя в канальный слой, тем самым повышая проводимость канала и увеличивая ток исток – сток. При подаче отрицательного смещения на затвор нормально открытого транзистора происходит оттеснение носителей заряда из канального слоя, тем самым увеличивая его сопротивление и уменьшая ток исток – сток.

Ход выполнения лабораторной работы

1. Установите на рабочее поле программы два источника питания, воспользовавшись пунктами контекстного меню «Добавить прибор» => «Источник питания».

2. Добавьте три измерительных прибора: «Добавить прибор» => «Вольтметр».

3. Добавьте исследуемый прибор ATF-36163 в соответствии с выбранным вариантом. Для этого выберите пункт контекстного меню «Добавить прибор» => «Элемент из файла…». Программа предложит выбрать файл элемента. По умолчанию файлы приборов находятся в подкаталогах программы VirtLabNano (подкаталог Варианты ЛР1). Исходные названия файлов представлены следующим образом: «ATF36163 (#V).elm», где # – номер варианта (разрешение файла может быть скрыто).

4. Соедините приборы, как показано на рис. 2.4. Соединение производится следующим способом:

– над чёрным кругом – контактом – зажимается левая клавиша мыши;

– курсор перемещается до другого контакта, при этом за курсором должен тянуться соединительный отрезок – провод, если его нет, повторите предыдущий пункт;

– отпустите левую клавишу мыши над нужным контактом. Соблюдайте полярность приборов!

Добейтесь максимального соответствия собранной Вами схемы представленной на рисунке 2.4. Важно: необходимо выполнить правильное соединение приборов, независимо от места расположения их выводов. Для удобства можно воспользоваться вспомогательным элементом для разводки схемы: «Добавить прибор» => «Мобильный контакт». «Мобильный контакт» не влияет на результаты работы схемы, предназначен для удобства ее чтения.

5. Переключите приборы в необходимый режим работы и выберите пределы индикаторов. Включите приборы и лабораторный стенд. Если Вы получили сообщение об ошибке, выключите стенд и проверьте схему подключения приборов, приведите состояние источников питания в начальное положение. Повторяйте этот пункт до тех пор, пока все ошибки не будут устранены.

6. Зафиксируйте показания измерительных приборов: ток стока (I_С), напряжение на затворе (U_ЗИ) и напряжение сток – исток (U_СИ) при начальных напряжениях: U_СИ = 0 В, U_ЗИ = 0 В.

7. Изменяя напряжение источника питания, подключенного к стоку – истоку транзистора, от 0 до предельно допустимого значения, получите минимум 12 точек выходной характеристики (I_С = f(U_СИ) / U_ЗИ = const).

8. Изменяя напряжение источника питания, подключенного к затвору транзистора, повторите пункт 7 и получите ещё 1–2 выходные характеристики HEMT-транзистора (итого 2–3 характеристики).

9. Сбросьте напряжения источников питания до 0.

10. Изменяя напряжение источника питания, подключенного к затвору – истоку транзистора, от 0 до предельно допустимого значения, получите минимум 12 точек передаточной характеристики (I_С = f(U_ЗИ) / U_СИ = const).

11. Изменяя напряжение источника питания, подключенного к стоку транзистора, повторите пункт 10 и получите ещё 1–2 передаточные характеристики HEMT-транзистора (итого 2–3 характеристики).

12. По данным, полученным из пунктов 8 и 11, постройте графики зависимостей, разделяя выходные и передаточные характеристики (итого 2 группы по 2–3 графика). В результате должны быть получены графики, подобные изображённым на рисунке 2.5.

Рис. 2.5 – Пример графических результатов выполнения лабораторной работы

13. По графикам зависимостей определите следующие параметры транзистора (могут отличаться от величин, предложенных в описании прибора):

– ток насыщения (I_СИ) прибора;

– пороговое напряжение затвора (U_ЗИ) прибора.

14. Для завершения работы закройте программу.

15. Сделайте выводы по принципу работы HEMT-транзистора и оформите отчёт.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

«СВЕТОДИОДЫ НА ОСНОВЕ ДГС»

Цель работы

Целью данной работы является исследование характеристик светодиода на основе двойной гетероструктуры с квантовыми ямами.

Задание на лабораторную работу

1. Исследовать вольт-амперную характеристику светодиода.

2. Исследовать вольт-яркостную характеристику светодиода.

3. Исследовать зависимость светоотдачи от мощности подаваемой на светодиод.

Описание лабораторной установки

Рис. 3.3 – Схема экспериментальной установки

При подаче напряжения прямого смещения на светодиод возникает инжекционный ток электронов из области катода и дырок из области анода в активную область (слои узкозонного полупроводника). В активной области электронно-дырочная пара рекомбинирует, освобождая тем самым пространство для следующих электронно-дырочных пар. Каждая прорекомбинировавшая пара излучает квант света с энергией, соответствующей ширине запрещённой зоны узкозонного полупроводника. Отсюда следует, что чем выше ток через светодиод, тем сильнее его свечение.

В фотодиоде квант света способствует генерации электроннодырочной пары при условии, что энергия генерации равна или меньше энергии кванта. Сгенерированные электроны и дырки растягиваются к краям фотодиода за счёт встроенного потенциального поля, тем самым порождая электрический ток в фотодиоде. При прохождении этого тока через резистор на нём возникает разность потенциалов (из следствия закона Ома), которую можно измерить вольтметром.

Ход выполнения лабораторной работы

1. Установите на рабочее поле программы один источник питания, воспользовавшись пунктами контекстного меню «Добавить прибор» => «Источник питания».

2. Добавьте три измерительных прибора: «Добавить прибор» => «Вольтметр».

3. Добавьте исследуемый светодиод в соответствии с выбранным вариантом. Для этого выберите пункт контекстного меню «Добавить прибор» => «Элемент из файла…». Программа предложит выбрать файл элемента. По умолчанию файлы приборов находятся в подкаталогах программы VirtLabNano (подкаталог Варианты ЛР2). Исходные названия файлов представлены следующим образом: «Светодиод (#V).elm», где # – номер варианта (разрешение файла может быть скрыто).

4. Добавьте фотодиод используя пункт контекстного меню «Добавить прибор» => «Элемент из файла…» => файл «Фотодиод (+),elm».

5. Соедините приборы, как показано на рисунке 3.3. Обратите внимание, резистор нагрузки уже включен в прибор фотодиода.

Соединение производится следующим способом:

– левая клавиша мыши зажимается над чёрным кругом – контактом;

– курсор перемещается до другого контакта, при этом за курсором должен тянуться соединительный отрезок – провод, если нет его, то повторите предыдущий пункт;

– отпустите левую клавишу мыши над нужным контактом. Соблюдайте полярность приборов!

Добейтесь максимального соответствия собранной Вами схемы рисунку 3.3. Важно: необходимо выполнить правильное соединение приборов, независимо от места расположения их выводов. Для удобства можно воспользоваться вспомогательным элементом для разводки схемы: «Добавить прибор» => «Мобильный контакт». «Мобильный контакт» не влияет на результаты работы схемы, предназначен для удобства ее чтения.

В данной лабораторной работе важной величиной является физическое расстояние от светодиода до фотодиода. Если Вы получаете слишком малые значения, попробуйте уменьшить это расстояние.

6. Переключите приборы в необходимый режим работы и выберите пределы индикаторов. Включите приборы и лабораторный стенд. Если Вы получили сообщение об ошибке, выключите стенд и проверьте схему подключения приборов, приведите состояние источников питания в начальное положение. Повторяйте этот пункт до тех пор, пока все ошибки не будут устранены.

7. Зафиксируйте показания измерительных приборов: напряжение на диоде (U), ток диода (I) и напряжение на сопротивлении нагрузки (U_Ф) при начальном напряжении: U = 0 В. В этой работе мы считаем, что ток, генерируемый фотодиодом, прямо пропорционален световому потоку, подающему на него.

8. Изменяя напряжение источника питания, получите минимум 12 групп значений: напряжение на светодиоде / ток через светодиод / напряжение на нагрузке фотодиода (U / I / U_Ф).

9. По полученным данным постройте графики вольт-амперной и вольт-яркостной характеристик. В результате должны быть получены графики, подобные изображённым на рисунке 3.4.

Рис. 3.4 – Пример графических результатов лабораторной работы

10. По графикам зависимостей определите следующие параметры транзистора:

– пороговое напряжение работы прибора;

– постройте токояркостную характеристику (яркость от тока светодиода), яркость можно взять относительную;

– рассчитайте и постройте зависимость светоотдачи от мощности подаваемой на светодиод.

11. Для завершения работы закройте программу.

12. Сделайте выводы по проделанной работе и оформите отчёт.

Отчеты по лабораторным работам оформляются в электронном виде в текстовом редакторе MSWord любой версии.

Отчет должен содержать:

– титульный лист;

– цель работы;

– схему экспериментальной установки (если есть);

– основные расчетные формулы (если в Вашей работе предусмотрен расчет некоторых величин);

– основные экспериментальные данные и их анализ (в этом пункте приводятся таблицы с экспериментальными данными, выполняется построение графиков, проводится расчет и т. д.);

– выводы по проделанной работе (здесь подводится краткий итог проведенной лабораторной работы, обсуждаются полученный результаты, приводится краткое обобщение работы).

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ТРАНЗИСТОР ATF-36163

ATF-36163 – малошумный псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов. ATF-36163 имеет минимальный коэффициент шума. На частоте 12 ГГц обеспечивает коэффициент шума 1 дБ, а на частоте 4 ГГц – 0,6 дБ.

В табл. А.1 представлены предельные параметры полевого транзистора ATF-36163.

Таблица А.1 – Предельные параметры полевого транзистора ATF-36163