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
