|
|
Transport and Noise Characteristics of MOSFET Transistors
Chvátal, Miloš ; Hudec, Lubomír (referee) ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Pavelka, Jan (advisor)
This doctoral thesis is focused on the analysis of transport characteristics of submicron and micron transistors MOSFET. The assumption is a constant gradient of concentration, which leads to the fact that the diffusion current density is independent of the distance from the source. Active energy was determined from temperature dependence. The proposed physical model made it possible to determine the value of access resistance between drain and source their temperature dependence. Based on the assumption that the divergence of the gradient of the current density in the channel is zero. IV characteristics of the transistor MOSFET are derived and conducted experimental monitoring current channel depending on the collector voltage for the series of samples with different channel lengths in a wide temperature range from 10 to 350 K. Information on the concentration of charge transport in the channel and the position of the Fermi level at the point of active trap, which is the source of RTS noise, is obtained from the analysis of the transport characteristics. Determining the concentration of charge transport and the position of the Fermi level is important because these variables determine the intensity of quantum transitions and their values are not the same throughout the length of the channel. It was experimentally proved from the analysis of the characteristics of RTS noise that concentration at the local channel decreases with increasing current at a constant voltage on the gate and a variable voltage at the collector. Further, the position of active traps of RTS noise was intended and it was found that this is located near the collector. Active trap is located at the point where the Fermi level coincides with energy level of the traps.
|
|
|
Non-Linear Electro-Ultrasonic Spectroscopy of Resistive Materials
Tofel, Pavel ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Smulko, Janusz (referee) ; Šikula, Josef (advisor)
Elektro-ultrazvuková spektroskopie je založena na interakci dvou signálů, elektrického střídavého signálu s frekvencí fE a ultrazvukového signálu s frekvencí fU. Ultrazvukový signál mění vzdálenost mezi vodivými zrny ve vzorku a tím mění jeho celkový elektrický odpor R. Změna odporu R je proměnná s frekvencí ultrazvukového signálu fU. Vzorek, který obsahuje mnoho defektů ve své struktuře, vykazuje vysokou změnu odporu R v porovnání se vzorkem bez defektů při stejné hodnotě ultrazvukového a elektrického signálu. V disertační práci je popsána elektro-ultrazvuková metoda na tlustovrstvých rezistorech, hořčíkových slitinách, monokrystalech Si a CdTe, varistorech a také jeden z prvních pokusů aplikace elektro-ultrazvukové spektroskopie na horninové vzorky a tak diagnostikovat jejich stav poškození. V našem případě byl proměřen vzorek žuly. Jelikož se jedná o nedestruktivní metodu testování, tak má tato metoda velmi perspektivní budoucnost. Tato metoda je citlivá na všechny defekty ve vzorku. Její výhodou je, že se měří velikost signálu ne frekvenci danou rozdílem nebo součtem budících frekvencí fE a fU a tím se dá dosáhnout vysoké citlivosti. V mém případě byl vždy měřen signál na rozdílové frekvenci fi = fE-fU.
|
|
|
Noise and Transport Analysis of the Niobium Oxide Layers
Sita, Zdeněk ; Hájek, Karel (referee) ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Grmela, Lubomír (advisor)
Kondenzátor na bázi oxidu niobu je novým typem pasívní součástky, jehož vývoj byl motivován snahou vyřešit hlavní nedostatky tantalového kondenzátoru – omezený zdroj tantalové suroviny a nebezpečí hoření při průrazu. Chování kondenzátoru na bázi oxidu niobu lze stejně jako u tantalového kondenzátoru popsat prostřednictvím reverzní MIS struktury. Pro studium mechanismu transportu nosičů nábojů v dielektriku Nb2O5 a pro stanovení fyzikálních parametrů, které řídí zbytkový proud, bylo využito měření V-A charakteristik v normálním a reverzním módu při 77 a 300K, dále závislosti kapacity ochuzené vrstvy na napětí a frekvenci, teplotní a časové závislosti zbytkového proudu a spektrální hustoty šumu ve frekvenční a časové doméně při různých napětích. Experimentální data potvrdila platnost navrženého pásového diagramu MIS struktury a poskytla jeho klíčové parametry. Bylo ověřeno, že transport nosičů náboje v NbO kondenzátorech je určen ohmickou, Poole-Frenkelovou a tunelovou složkou v normálním módu, a Schottkyho emisí v reverzním módu. V rozsahu standardních aplikačních napětí dominují v normálním módu Poole-Frenkelova emise a v reverzním módu Schottkyho emise. Při vyšších napětích v normálním módu určuje průrazné napětí kondenzátoru tunelový mechanismus. V reverzním módu rozhoduje o odolnosti vůči tepelnému průrazu kondenzátoru výška bariéry mezi dielektrikem a anodou. Bylo zjištěno, že NbO a Tantalové kondenzátory mají stejný mechanismus vodivosti. Specifika NbO anody se projevují pouze v rozdílných hodnotách parametrů pásového diagramu, nikoliv v principech mechanismu transportu nosičů náboje. To vysvětluje základní rozdíl mezi oběma kondenzátory, který je v kvalitě dielektrické vrstvy na přechodu anody a dielektrika. Nižší potenciálové bariéry a vyšší počet defektů v dielektriku, který je způsoben dalším stabilním oxidem, má za následek vyšší zbytkový proud NbO kondenzátoru. Tento jev však nemá žádný vliv na spolehlivost součástky. Teoretické modely a vybrané testovací metody byly použity k volbě vhodných materiálů anody, ke stanovení vhodných dopantů a k optimalizaci technologie anodické oxidace. Byla nalezena korelace mezi parametry transportu nosičů náboje a spolehlivostí, a na základě experimentálních dat byly navrženy optimalizace výrobního procesu kondenzátorů. Lepší porozumění transportním mechanismům v NbO kondenzátorech umožnilo úplný popis nové součástky na bázi oxidu niobu. Byly zdůrazněny silné a slabé stránky této nové technologie a nalezeny nástroje pro optimalizaci procesů, které umožní vyšší spolehlivost a efektivitu NbO kondenzátorů.
|
|
|
Charge Carrier Transport in Ta2O5 Oxide Nanolayers with Application to the Tantalum Capacitors
Kopecký, Martin ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Hudec, Lubomír (referee) ; Sedláková, Vlasta (advisor)
Studium transportu náboje v Ta2O5 oxidových nanovrstvách se zaměřuje především na objasnění vlivu defektů na vodivost těchto vrstev. Soustředíme se na studium oxidových nanovrstev Ta2O5 vytvořených pomocí anodické oxidace. Proces výroby Ta2O5 zahrnuje řadu parametrů, jež ovlivňují koncentraci defektů (oxidových vakancí) v této struktuře. Vrstva oxidu Ta2O5 o tloušťce 20 až 200 nm se často používá jako dielektrikum pro tantalové kondenzátory, které se staly nedílnou součástí elektrotechnického průmyslu. Kondenzátory s Ta2O5 dielektrickou vrstvou lze modelovat jako strukturu MIS (kov – izolant – polovodič). Anodu tvoří tantal s kovovou vodivostí, katodu potom MnO2 či vodivý polymer (CP), které jsou polovodiče. Hodnoty elektronových afinit, respektive výstupních prací, jednotlivých materiálů potom určují výšku potenciálových bariér vytvořených na rozhraních kov-izolant (M – I) a izolant-polovodič (I – S). Dominantní mechanizmy transportu náboje lze určit analýzou I-V charakteristiky zbytkového proudu. Dominantní mechanizmy transportu náboje izolační vrstvou jsou ohmický, Poole-Frenkelův, Shottkyho a tunelování. Uplatnění jednotlivých vodivostních mechanismů je závislé na teplotě a intenzitě elektrického pole v izolantu. Hodnota zbytkového proud je významným indikátorem kvality daného izolantu. Ten závisí na technologii výroby kondenzátoru, významně především na parametrech anodické oxidace a na materiálu katody. I-V charakteristiky zbytkového proudu se měří v normálním a reversním módu, tj. normální mód značí kladné napětí na anodě a reversní mód záporné napětí na anodě. I-V charakteristika je výrazně nesymetrická, a proto tyto kondenzátory musí být vhodně polarizovány. Nesymetrie I-V charakteristiky se snižuje s klesající teplotou, při teplotě pod 50 K a je možno některé kondenzátory používat jako bipolární součástky. Z analýzy I-V charakteristiky lze určit řadu parametrů, jako tloušťku izolační vrstvy a koncentraci defektů v izolační Ta2O5 vrstvě a dále lze odhadnout parametry MIS modelu kondenzátoru - stanovit hodnotu potenciálových bariér na rozhraních M – I a I – S. Měření C-V charakteristik při různých teplotách v rozsahu 10 až 300 K je využíto pro určení výšky potenciálové bariéry na rozhraní I – S, závislosti kapacity na teplotě a dále pro výpočet efektivní plochy elektrod. Z výbrusu vzorků na skenovacím elektronovém mikroskopu byly určeny tloušťky dielektrika Ta2O5 pro jednotlivé vyhodnocované řady kondenzátorů.
|
|
|
Transport of Electric Charge in Tantalum Capacitor
Pelčák, Jaromír ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Hájek, Karel (referee) ; Grmela, Lubomír (advisor)
The task of the thesis was studding of tantalum capacitors with solid electrolytes properties. Ta – Ta2O5 – MnO2 capacitor by its construction represents MIS structure, where tantalum anode has metal conductivity and MnO2 cathode is semiconductor. Isolation layer consists of tantalum pentoxide Ta2O5 with relative permitivity r = 27. Dielectric thickness is typically in range from 30 to 150nm. The capacitor charge is not only stored and accumulated on electrodes but also in localised states (oxide vacancies) in isolation layer. The capacitor connected in normal mode represents MIS structure polarized in reveres direction when the applied voltage higher potential barrier between semiconductor - MnO2 cathode and isolation of Ta2O5. The transport of charge carriers via isolation layer is determined by Poole-Frenkel mechanisms and tunnelling. Poole-Frenkel mechanism of charge transport is dominant in low intensity of electric field. Tunnelling determines current at higher electric field intensity. During low intensity of electric field ohmic component is also presented which is determined by volume of resistance of impurities in isolation layer due to donor states of oxygen vacancies. Based on the modelling of measured VA characteristics is possible to estimate determine dielectric thickness of Ta2O5 and determine share of Poole-Frenkelov and tunnel current and charge transportation. The thesis is described charge transport and charge concentration on tantalum capacitor in low frequency area and analysis of capacitor behaviour at frequency band. The first impulse for the thesis was an effort to create equivalent circuit diagram of tantalum capacitor in respect of its physical and electrical behaviour. There is an opportunity to study and determine electric charge transport and its accumulation based on the equivalent circuit diagram structure. There is also a chance to define and trace potential barriers and charge distribution in the capacitor structure based on an measurement and carried out experiments. This methodology and analysis consists of electrical characteristic determination to create physical model of the capacitor describing it function, properties and behaviour.
|
|
|
Measurement of Acoustic Parameters of Building Materials by Pseudorandom Sequence
Carbol, Ladislav ; Semerák,, Petr (referee) ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Vydra,, Vítězslav (referee) ; Martinek, Jan (advisor)
The thesis deals with research of pulse compression of the acoustic signal in terms of applications in civil engineering. Based on the study and analysis of these methods, automated measuring equipment for non-destructive testing with pseudorandom sequence of maximum length and automated signal analysis, have been designed and implemented. In a single test cycle are obtained three parameters that characterize the linear and nonlinear behavior of the sample. A nonlinear parameter, Time of Flight of ultrasonic wave in the sample is further in the work compared with the conventional pulse measuring, and spectral analysis is compared with the method impact-echo. Functionality and optimization of the testing method was performed on a total of three sets of test pieces made of various building materials. The experiments proved simple result interpretation, and high sensitivity to structural damage associated with temperature loading. The results were correlated with conventional nondestructive methods and by destructive testing was measured change in compressive strength and flexural strength. This work also includes continual measurement of fundamental frequency influenced by moisture on a mortar sample. Use of pulse compression signal is in the civil engineering quite unusual. Only in recent years this topic is discussed in scientific articles with increasing frequency. Great potential lies in the association of three test methods into a single. Beneficial is high test speed and measurement reproducibility, but also theoretical possibility of testing massive test elements.
|
|
|
Measurement of Acoustic Parameters of Building Materials by Pseudorandom Sequence
Carbol, Ladislav ; Semerák,, Petr (referee) ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Vydra,, Vítězslav (referee) ; Martinek, Jan (advisor)
The thesis deals with research of pulse compression of the acoustic signal in terms of applications in civil engineering. Based on the study and analysis of these methods, automated measuring equipment for non-destructive testing with pseudorandom sequence of maximum length and automated signal analysis, have been designed and implemented. In a single test cycle are obtained three parameters that characterize the linear and nonlinear behavior of the sample. A nonlinear parameter, Time of Flight of ultrasonic wave in the sample is further in the work compared with the conventional pulse measuring, and spectral analysis is compared with the method impact-echo. Functionality and optimization of the testing method was performed on a total of three sets of test pieces made of various building materials. The experiments proved simple result interpretation, and high sensitivity to structural damage associated with temperature loading. The results were correlated with conventional nondestructive methods and by destructive testing was measured change in compressive strength and flexural strength. This work also includes continual measurement of fundamental frequency influenced by moisture on a mortar sample. Use of pulse compression signal is in the civil engineering quite unusual. Only in recent years this topic is discussed in scientific articles with increasing frequency. Great potential lies in the association of three test methods into a single. Beneficial is high test speed and measurement reproducibility, but also theoretical possibility of testing massive test elements.
|
|
|
Noise and Transport Analysis of the Niobium Oxide Layers
Sita, Zdeněk ; Hájek, Karel (referee) ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Grmela, Lubomír (advisor)
Kondenzátor na bázi oxidu niobu je novým typem pasívní součástky, jehož vývoj byl motivován snahou vyřešit hlavní nedostatky tantalového kondenzátoru – omezený zdroj tantalové suroviny a nebezpečí hoření při průrazu. Chování kondenzátoru na bázi oxidu niobu lze stejně jako u tantalového kondenzátoru popsat prostřednictvím reverzní MIS struktury. Pro studium mechanismu transportu nosičů nábojů v dielektriku Nb2O5 a pro stanovení fyzikálních parametrů, které řídí zbytkový proud, bylo využito měření V-A charakteristik v normálním a reverzním módu při 77 a 300K, dále závislosti kapacity ochuzené vrstvy na napětí a frekvenci, teplotní a časové závislosti zbytkového proudu a spektrální hustoty šumu ve frekvenční a časové doméně při různých napětích. Experimentální data potvrdila platnost navrženého pásového diagramu MIS struktury a poskytla jeho klíčové parametry. Bylo ověřeno, že transport nosičů náboje v NbO kondenzátorech je určen ohmickou, Poole-Frenkelovou a tunelovou složkou v normálním módu, a Schottkyho emisí v reverzním módu. V rozsahu standardních aplikačních napětí dominují v normálním módu Poole-Frenkelova emise a v reverzním módu Schottkyho emise. Při vyšších napětích v normálním módu určuje průrazné napětí kondenzátoru tunelový mechanismus. V reverzním módu rozhoduje o odolnosti vůči tepelnému průrazu kondenzátoru výška bariéry mezi dielektrikem a anodou. Bylo zjištěno, že NbO a Tantalové kondenzátory mají stejný mechanismus vodivosti. Specifika NbO anody se projevují pouze v rozdílných hodnotách parametrů pásového diagramu, nikoliv v principech mechanismu transportu nosičů náboje. To vysvětluje základní rozdíl mezi oběma kondenzátory, který je v kvalitě dielektrické vrstvy na přechodu anody a dielektrika. Nižší potenciálové bariéry a vyšší počet defektů v dielektriku, který je způsoben dalším stabilním oxidem, má za následek vyšší zbytkový proud NbO kondenzátoru. Tento jev však nemá žádný vliv na spolehlivost součástky. Teoretické modely a vybrané testovací metody byly použity k volbě vhodných materiálů anody, ke stanovení vhodných dopantů a k optimalizaci technologie anodické oxidace. Byla nalezena korelace mezi parametry transportu nosičů náboje a spolehlivostí, a na základě experimentálních dat byly navrženy optimalizace výrobního procesu kondenzátorů. Lepší porozumění transportním mechanismům v NbO kondenzátorech umožnilo úplný popis nové součástky na bázi oxidu niobu. Byly zdůrazněny silné a slabé stránky této nové technologie a nalezeny nástroje pro optimalizaci procesů, které umožní vyšší spolehlivost a efektivitu NbO kondenzátorů.
|
|
|
Charge Carrier Transport in Ta2O5 Oxide Nanolayers with Application to the Tantalum Capacitors
Kopecký, Martin ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Hudec, Lubomír (referee) ; Sedláková, Vlasta (advisor)
Studium transportu náboje v Ta2O5 oxidových nanovrstvách se zaměřuje především na objasnění vlivu defektů na vodivost těchto vrstev. Soustředíme se na studium oxidových nanovrstev Ta2O5 vytvořených pomocí anodické oxidace. Proces výroby Ta2O5 zahrnuje řadu parametrů, jež ovlivňují koncentraci defektů (oxidových vakancí) v této struktuře. Vrstva oxidu Ta2O5 o tloušťce 20 až 200 nm se často používá jako dielektrikum pro tantalové kondenzátory, které se staly nedílnou součástí elektrotechnického průmyslu. Kondenzátory s Ta2O5 dielektrickou vrstvou lze modelovat jako strukturu MIS (kov – izolant – polovodič). Anodu tvoří tantal s kovovou vodivostí, katodu potom MnO2 či vodivý polymer (CP), které jsou polovodiče. Hodnoty elektronových afinit, respektive výstupních prací, jednotlivých materiálů potom určují výšku potenciálových bariér vytvořených na rozhraních kov-izolant (M – I) a izolant-polovodič (I – S). Dominantní mechanizmy transportu náboje lze určit analýzou I-V charakteristiky zbytkového proudu. Dominantní mechanizmy transportu náboje izolační vrstvou jsou ohmický, Poole-Frenkelův, Shottkyho a tunelování. Uplatnění jednotlivých vodivostních mechanismů je závislé na teplotě a intenzitě elektrického pole v izolantu. Hodnota zbytkového proud je významným indikátorem kvality daného izolantu. Ten závisí na technologii výroby kondenzátoru, významně především na parametrech anodické oxidace a na materiálu katody. I-V charakteristiky zbytkového proudu se měří v normálním a reversním módu, tj. normální mód značí kladné napětí na anodě a reversní mód záporné napětí na anodě. I-V charakteristika je výrazně nesymetrická, a proto tyto kondenzátory musí být vhodně polarizovány. Nesymetrie I-V charakteristiky se snižuje s klesající teplotou, při teplotě pod 50 K a je možno některé kondenzátory používat jako bipolární součástky. Z analýzy I-V charakteristiky lze určit řadu parametrů, jako tloušťku izolační vrstvy a koncentraci defektů v izolační Ta2O5 vrstvě a dále lze odhadnout parametry MIS modelu kondenzátoru - stanovit hodnotu potenciálových bariér na rozhraních M – I a I – S. Měření C-V charakteristik při různých teplotách v rozsahu 10 až 300 K je využíto pro určení výšky potenciálové bariéry na rozhraní I – S, závislosti kapacity na teplotě a dále pro výpočet efektivní plochy elektrod. Z výbrusu vzorků na skenovacím elektronovém mikroskopu byly určeny tloušťky dielektrika Ta2O5 pro jednotlivé vyhodnocované řady kondenzátorů.
|
|
|
Transport and Noise Characteristics of MOSFET Transistors
Chvátal, Miloš ; Hudec, Lubomír (referee) ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Pavelka, Jan (advisor)
This doctoral thesis is focused on the analysis of transport characteristics of submicron and micron transistors MOSFET. The assumption is a constant gradient of concentration, which leads to the fact that the diffusion current density is independent of the distance from the source. Active energy was determined from temperature dependence. The proposed physical model made it possible to determine the value of access resistance between drain and source their temperature dependence. Based on the assumption that the divergence of the gradient of the current density in the channel is zero. IV characteristics of the transistor MOSFET are derived and conducted experimental monitoring current channel depending on the collector voltage for the series of samples with different channel lengths in a wide temperature range from 10 to 350 K. Information on the concentration of charge transport in the channel and the position of the Fermi level at the point of active trap, which is the source of RTS noise, is obtained from the analysis of the transport characteristics. Determining the concentration of charge transport and the position of the Fermi level is important because these variables determine the intensity of quantum transitions and their values are not the same throughout the length of the channel. It was experimentally proved from the analysis of the characteristics of RTS noise that concentration at the local channel decreases with increasing current at a constant voltage on the gate and a variable voltage at the collector. Further, the position of active traps of RTS noise was intended and it was found that this is located near the collector. Active trap is located at the point where the Fermi level coincides with energy level of the traps.
|
guest ::
