Создание программного обеспечения на LabVIEW для лабораторных работ, созданных на базе котроллер NI-6221

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики твердого тела

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

Создание программного обеспечения на LabVIEW для лабораторных работ, созданных на базе котроллер NI-6221

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 4 курса

ФТФ, гр.21402,

Советный М.Д..

Руководитель: Ивашенков О.Н.

доцент КФТТ к.ф.-м.н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Петрозаводск 2014

Содержание.

 

 

Введение.

 

В настоящее время проведение большинства экспериментов занимает большое количество времени и отнимает огромное количество сил у экспериментатора. Это связано в первую очередь с тем, что человеку необходимо одновременно следить за показаниями сразу нескольких приборов, вручную регулировать параметры эксперимента, в ходе его проведения, а так же не забывать фиксировать все полученные результаты. Современное развитие науки и техники позволяет упростить проведение экспериментов методом их автоматизации. Данный метод позволяет освободить экспериментатора от всех выше перечисленных проблем, т.к. один раз написав программу человек может, меняя лишь образцы исследования и начальные условия проводить эксперименты, не заботясь о том, что он что-то может упустить или забыть.

В данной работе будет рассмотрено взаимодействие среды программирования LabVIEW с модулем NI (National Instruments) PCI 6221. Модуль PCI 6221 является многофункциональным устройством сбора данных, инсталлируемым в PCI слот материнской платы. Данный модуль позволяет построение автоматизированных установок на его основе, путем создания специальных экспериментальных стендов и написания программ, осуществляющих взаимодействие этих установок с платой PCI 6221 и компьютером. Программный продукт LabVIEW, разработанный фирмой National Instruments как средство прикладного программирования, позволяет создавать программное обеспечение для проведения такого рода работ. Эта среда программирования отличается от многих других тем, что программы создаются в виде блок-схем. Среда LabVIEW содержит много библиотек для работы с различного рода платами. Поэтому при помощи LabVIEW достаточно просто и наглядно можно автоматизировать любой экспериментальный процесс.

На кафедре физики твёрдого тела ведутся исследования в сфере микроэлектроники и физики полупроводников. Многие установки, используемые в процессе лабораторных работ, автоматизированы. По причине постоянного роста технических возможностей необходимо их постоянное усовершенствование и модернизация.

Вследствие больших возможностей среды программирования LabVIEW и платы PCI 6221 целью данной работы ставиться создание автоматизированных лабораторных установок для измерения ВАХ биполярного транзистора и измерения C(t) зависимости МДП-структур.

1. Литературный обзор.

 

В начале литературного обзора остановимся подробнее на объектах исследования, а именно на биполярном транзисторе и МПД-структуре.

 

1.1 Биполярный транзистор.

 

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение транзистора типа p-n-p:

Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор, W – толщина базы, ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход

 

Переход, который образуется на границе эмиттер – база, называется эмиттерным, а на границе база – коллектор – коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-р и n-р-n.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

2. Режим насыщения –  оба p-n перехода открыты;

3. Активный режим – один из p-n переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Область транзистора, расположенная между переходами, называется базой (Б). Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую – так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы.

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а соответствующий переход – эмиттерным.

Область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором (К), а переход – коллекторным.

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.

По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы.

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым (диффузионным).

На практике довольно часто используются биполярные транзисторы, включенные по схеме с общим эмиттером (рис. 2).

Рис. 2. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Для схемы с общим эмиттером основным параметром биполярного транзистора является дифференциальный коэффициент передачи тока базы β, которым называется приращение тока коллектора dIк к вызвавшему его приращению тока базы Iб при постоянном напряжении на коллекторе (при нагрузке в цепи коллектора).

Существует три основных типа статических характеристик биполярного транзистора при включении по схеме с ОЭ (рис. 3).:

1. Выходные характеристики – зависимость тока коллектора Iк от напряжения на коллекторе Uк при постоянном токе базы Iб (а):

Iк = f(Uк); Iб = const, Iб3 > Iб2 > Iб1.

2. Входная характеристика – зависимость тока базы Iб от напряжения на базе Uб при постоянном напряжении на коллекторе Uк (б):

Iб = f(Uб); Uк = const.

3. Переходная характеристика – зависимость тока коллектора Iк от тока базы Iб при постоянном напряжении на коллекторе Uк (в):

Iк = f(Iб); Uк = const.

Рис.3  Статические характеристики биполярного транзистора.[1]

 

Ранее, авторами работ [12] и [13], уже были созданы автоматизированные установки для измерения характеристик транзисторов, в том числе и для измерения вольт амперной характеристики (ВАХ) биполярного транзистора. Данные установки созданы на базе адаптера НВЛ-08 [15], который позволяет задавать на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) напряжение в диапазоне ± 5,12В, а также имеет разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в 12 бит. Т.к. адаптер НВЛ-08 снабжен всего одним ЦАПом, то необходимо использование внешнего ЦАПа реализованного автором работы [12] на основе Centronics. Сами установки разработаны таким образом, что даёт возможность проводить измерения ВАХ не только биполярного транзистора, но и полевого транзистора т.к. место крепления транзистора выполнено в виде разъемов, в которые помещаются ножки транзистора.

Штуб

 

1.2 МДП-структура.

 

МДП-структура представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик называется подзатворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом. Довольно часто в качестве диэлектрика в МДП-структурах используют окислы, поэтому вместо МДП употребляется название МОП-структура. Итак, МДП-структура, приведенная на рисунке 4, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой подложки и омического контакта. [1]

Рис. 4. Устройство МДП структуры

1 - затвор, 2 - подзатворный диэлектрик, 3 - полупроводниковая подложка, 4 - омический  контакт

 

По существу эта структура представляет плоский конденсатор одной из обкладок которого служит металл (затвор), второй полупроводник. Особенность такого МДП конденсатора по отношению к классическому МДМ конденсатору в том, что в объеме полупроводника заряд может быть связан с носителями разной физической природы и разной полярности: свободными электронами и дырками, заряженными положительно ионизованными донорами и заряженными отрицательно ионизованными акцепторами.[7]

 

1.2.1 Вольт-фарадные характеристики МДП-структур.

 

Основным методом исследования МДП-структур является анализ ВФХ, поэтому рассмотрим подробнее экспериментальные методы получения ВФХ.

При экспериментальном измерении вольт-фарадных характеристик МДП-структур важное значение имеет частота измерительного сигнала ω. Это связано с тем, что процессы захвата и выброса на поверхностные состояния, а также изменения заряда свободных носителей в инверсионном слое, характеризующие соответствующие емкости Css и Csc, имеют конечные времена τ, сравнимые с периодом обычно используемого в эксперименте сигнала. В зависимости от частоты измерительного сигнала различают два метода - метод высокочастотных C-V характеристик и квазистатический C-V метод.[10] 

Метод высокочастотных C-V характеристик. Сущность метода высокочастотных характеристик заключается в том, что используется для измерения емкости МДП-структуры малый переменный сигнал с периодом, существенно меньшим, чем время жизни неосновных носителей и время перезарядки поверхностных состояний (ω-1 << τn, τ).

При этих условиях заряд в инверсионном канале Qn не успевает следовать за изменением переменного напряжения, и емкость неосновных носителей Cn равна нулю. Следовательно, емкость ОПЗ Csc будет обусловлена в обогащении основными носителями, а в обеднении и инверсии - только слоем обеднения CB. Поскольку поверхностные состояния не успевают перезаряжаться с частотой переменного тестирующего сигнала, то их емкость также равна нулю (Css = 0). Таким образом, емкость МДП-структуры на высокой частоте определяется только емкостью диэлектрика C0 и емкостью области пространственного заряда Csc без учета емкости неосновных носителей Cn. Кроме малого по амплитуде измерительного напряжения в этом методе к МДП-структуре прикладывается постоянное напряжение VG, изменяющее ее емкость C.

Обычно это напряжение VG подают от генератора линейно меняющегося напряжения. Полученную высокочастотную вольт-фарадную характеристику (ВВХФ) записывают на двухкоординатный самописец. На рисунке 5 приведена схема этого метода, иногда называемая схемой Гоетцбергера. Выберем соотношение емкости C МДП-структуры и нагрузочного сопротивления RH такое, чтобы всегда выполнялось условие RC = 1/ωC >> RH. Пусть с генератора переменного напряжения на МДП-структуру подается малое напряжение, причем U < kT/q. Тогда ток через нашу емкость C и нагрузку RH будет:

(2.1)

Рис. 5. Схема измерения высокочастотных ВФХ МДП-структур

Падение напряжения на нагрузочном сопротивлении URH равно:   (2.2)

Таким образом, падение напряжения на нагрузочном сопротивлении URH пропорционально емкости МДП-структуры. После усиления этого сигнала узкополосным усилителем и детектирования с использованием синхродетектора для выделения только емкостной составляющей в сигнале, мы получаем отклонение пера на самописце по координате Y, пропорциональное емкости МДП-системы. Меняя величину VG и подавая сигнал генератора развертки VG одновременно на МДП-структуру и ось X самописца, получаем запись высокочастотной вольт-фарадной характеристики. Для получения абсолютных значений в отсчете емкости вместо МДП-структуры подключают калибровочную емкость.[1]

Определение параметров МДП-структур на основе анализа ВВФХ. Проведя анализ экспериментально полученной зависимости C(Vg), можно определить ряд важных параметров МДП-структуры:

1. Тип подложки (n или p) по положению верхней "полки" ВВФХ:   если C = Cmax при VG>0, то подложка n - типа,  а если C = Cmax при VG<0, то подложка p – типа;

2. Толщину диэлектрика dox по величине Cmax = Cox:

, где S - площадь затвора.  (2.3)

3. Уровень легирования  подложки NB по нижней "полке" ВФХ:

,    (2.4)

т.к. C = Cmin при ys=2jo, когда минимальная емкость:

,  где Wmax – максимальная ширина ОПЗ. (2.5)

Т.к. jo зависит от NB: 

,     (2.6)

то уровень легирования NB получают методом итераций.

Также возможно оценить (с точностью до центроида xc и без учета поверхностных состояний) величину встроенного в диэлектрик заряда Qox:

,    (2.7)

4. Плотность поверхностных состояний Nss в методе Термана рассчитывается так:

,    (2.8)

где DVG - cдвиг экспериментальной ВФХ относительно теоретической.