Список літератури. 1. Епифанов Г.И. Твердотельная электроника/ Г.И

1. Епифанов Г.И. Твердотельная электроника/ Г.И. Епифанов, Ю.А. Мома. – М.: Высшая школа, 1986.- 304с.

2. Загальна фізика: Лабораторний практикум: навч. посібник/В. М. Барановський, П. В. Бережний, І.Т. Горбачук та ін. / За заг. ред. І.Т.Горбачука. - Київ: Виша школа, 1992. – 509 с.

 

 

Лабораторна робота 8

Дослідження характеристик польового транзистора

Мета – вивчення принципу дії польового транзистора, дослідження та аналіз його вольт-амперних характеристик, визначення робочих параметрів.

Елементи теорії. Польові транзистори (ПТ) – це напівпровідникові прилади, в яких керування струмом здійснюється перекриванням каналу між витоком і стоком областю просторового заряду зворотно зміщеного р-n -переходу або переходу метал-напівпровідник. Виділимо основні властивості ПТ: середнє значення вхідного опору - до 10⁶ Ом (малопотужні БТ), до 10¹¹Ом (ПТ із p-n -переходом), до 10¹⁵ Ом (МДН-транзистори); нелінійна вольт-амперна характеристика; нульова напруга зміщення.

Особливості конструктивних рішень дали можливість виготовити ПТ з р-n -переходом із кращими параметрами, ніж у БТ- або МДН-транзисторів.

1. Польовий транзистор з р-n-переходом. Структуру n -канального ПТ з р-n -переходом зображено на рисунку 1. Між двома високолегованими областями n ⁺-типу витоку 1 і стоку 2 знаходиться область низьколегованого каналу n -типу 3. Звуження в ньому створено двома областями р ⁺-типу 4 і 5, які названі заслонами. Міжнародні позначення областей: витоку – S, стоку – D, заслону – G. Зворотне зміщення р-n-переходу заслін-канал створює товсті збіднені шари у слаболегованій області каналу.

Товщина збідненого шару р-n-переходу при зворотному зміщенні за­лежить від рівня легування областей р-типу заслону та n-типу каналу і зовнішньої напруги. Товщину збідненого шару, а відповідно і товщину каналу під заслонами регулюють напругами заслін-витік і заслін-стік.

У ПТ, зображеному на рисунку 1а, заслін і витік заземлені, а на стік подано позитивну напругу. Якщо напруга U_DS мала, то канал n -типу 3 між витоком 1 і стоком 2 можна еквівалентно змоделювати резистором. Через транзистор проходить струм I_D.

Якщо збільшувати напругу на стоці і враховувати резистивний характер каналу, то струм I_D лінійно зростатиме (рис. 2). Уздовж осі витік-стік (SD) напруга на каналі зростатиме від нуля біля витоку до U_DS біля стоку. Відповідно вздовж р- n -переходу заслін-канал напру­га зворотного зміщення й товщина збідненого шару р-n -переходу заслін-канал зростатиме від витоку до стоку. Площа поперечного перерізу каналу вздовж осі витік-стік зменшуватиметься. Подальше збільшен­ня напруги U_DS спричинить ще помітніше зменшення площі попереч­ного перерізу каналу. Опір каналу і нахил вольт-амперної характерис­тики зростатиме, а струм каналу зменшуватиметься (рис. 2), а при напрузі U_DS= U_DS0 канал перекриється (рис. 1, б). У точці А збіднені області перекриваються між собою, і канал зникає. Області витоку і стоку “ізолюються” одна від одної збідненими областями пе­реходів. Струм стоку проходить через збіднений шар так, як це дослі­джувалося для МДН-транзистора за умов перекриття каналу. Струм сто­ку при напрузі U_DS0 позначають I_D0. Якщо напругу U_DS збільшува­ти далі, то збіднені шари стануть ще товщими (рис. 1в), але струм I_D0 залишається майже без змін, оскільки основна частка зрос­таючої напруги U_DS падає на збіднену область між точками А і В. Польовий транзистор функціонує в області насичення. На рисунку 3 зображені графічні умовні позначення ПТ з керувальним р-n -переходом.

 

 

Рисунок 1 – n -канальний польовий транзистор з керувальним p-n -переходом: канал відкритий, заслін і витік заземлені, а на стік подано позитивну напругу (а); канал перекритий при напрузі U_DS= U_DS0 (б); канал перекритий, збіднені шари найтовстіші (в)

 

Рисунок 2 – Вольт-амперні характеристики n -канального польового транзистора з керувальним р-n -переходом

 

Рисунок 3 – Графічні умовні позначення ПТ з керувальним р-n -переходом: а – n -канальний; б – р -канальний

 

Структура ПТ з р-n -переходом (рис. 1) характерна для вертикальної конструкції транзистора. Вона може бути трансформована в горизонтальну поверхневу конструкцію, якщо врахувати, що ОПЗ нижнього заслону створюється зворотно зміще­ним р-n -переходом, що ізолює канал від основи. У цьому випадку тов­щина ОПЗ ізолювального нижнього р-n -переходу залишатиметься сталою, а керувальна напруга на заслоні U_GS змінюватиме розміри ОПЗ тільки верхнього р- n-переходу.

Провідність напівпровідника n-типу в області каналу ПТ з р-n -переходом (рис. 4) розраховують за формулою

, (1)

 

де – рухливість електронів у каналі.

Опір каналу визначається його геометричними розмірами

, (2)

 

де L, W і d – відповідно довжина, ширина й товщина каналу; x_n – товщина збідненого електронами шару в області каналу.

2. Польовий транзистор з керувальним переходом метал-напівпровідник. ПТ з керувальним переходом метал-напівпровід­ник є основними активними елементами GaAs- мікросхем. Головна мета їх розроблення – підвищення швидкодії сучасних інтегро­ваних мікросхем. Цифрові арсенід-галієві (GaAs) мікросхеми належать до над­високочастотних, а аналогові призначені для роботи в діапазоні висо­ких частот. Відмітимо, які переваги має GaAs перед Si: по-перше, більшу рухливість електронів у слабких електричних полях (0, 4-0, 5 м²/В∙ с); по-друге, більшу швидкість насичення в сильних полях (2-10 м/с); по-третє, більшу ширину забороненої зони і, як наслідок, значно більший питомий опір, що дає можливість викори­стовувати GaAs як ізолювальну основу. До недоліків GaAs слід віднести малу рухливість дірок (0, 025 м /В∙ с) та короткий термін життя неосновних носіїв заряду (10^-8 с).

Найоптимальнішим активним елементом, який дає змогу реалізувати переваги GaAs перед Si, є польовий транзистор з каналом n -типу і керувальним переходом метал-напівпровідник (МЕН-транзистор).

Структуру n -канального арсенід-галієвого МЕН-транзистора зобра­жено на рисунку 46. Транзистор створюють на нелегованій GaAs основі 1. Оскільки такі основи мають великий питомий опір, їх назива­ють напівізолювальними. Провідність основи – р -типу.

На поверхні основи методом іонного легування формують сильнолеговані області 2 витоку і стоку n ⁺-типу, а після цього – тонкий шар n -типу, який виконує функції каналу 3. Типова товщина шару каналу 3 d = 0, 1-0, 2 мкм, концентрація донорів у каналі N_D = (1-2)10²³ ат/м³. Силіцій, селен, сірку та інші матеріали використовують як легувальні доміш­ки. На поверхню над шаром 3 наносять металевий електрод 4 зі сплаву, наприклад титан-вольфрам, який служить заслоном. Металеві електроди до областей витоку й стоку 5

 

Рисунок 4 – Структура МНЕ транзистора: 1 – нелегована арсенід-галієва основа; 2 – сильнолеговані області витоку і стоку n ⁺-типу; 3 – канал n -типу; 4 – металевий електрод; 5 – металеві електроди областей витоку й стоку; 6 – шар діоксину силіцію; 7 – збідне­на область

 

виготовляють зі сплаву Au - Ge. На всю іншу поверхню наносять діоксид силіцію. Металевий електрод 4 заслону створює із шаром 3 каналу діод Шотткі, висота потенціально­го бар'єра якого становить близько 0, 8 В. Провідний канал між витоком і стоком проходить в шарі 3 і обмежується зверху збідненою обла­стю 7 бар'єра Шотткі, а знизу – основою 1. Принцип функціонування МЕН-транзистора такий, як польового тран­зистора з р-n -переходом.

Методичні вказівки. Для дослідження робочих параметрів і характеристик польових транзисторів застосовується лабораторний стенд, електрична схема якого наведена на рисунку 5. До схеми входять польовий транзистор, амперметр, два вольтметри, два резистори для зміни струму та напруги, заземлення.

Досліджуваний транзистор типу КП 103 Е – це польовий транзистор з керувальним p-n -переходом і каналом р -типу. Його зарубіжний аналог - транзистор 2N3329.

Рисунок 5 – Електрична схема лабораторного стенда для дослідження характеристик ПТ

 

Між заслоном та каналом формується р-n -перехід, збіднений шар якого міститься в об'ємі каналу, виготовленого з матеріалу з малою кількістю домішок. Від каналу зроблені виводи – стік та виток. На стік подають напругу, при якій основні носії заряду рухаються до нього.

Взагалі, ПТ з керувальним p-n -переходом виготовляється з кремнієвого кристала n -або p -типу. До таких транзисторів належать: КП 101, КП 102, КП 103, КП 201 – це транзистори з р -каналом. Транзистори з n-каналом мають такі маркування: КП 302, КП 303, КП 307, КП 312. Низькочастотні мають канал р-типу, високочастотні – канал n-типу. У р -каналі основні носії – дірки, а їх рухомість менша, ніж у електронів, які є основними носіями в каналах n-типу. Польові транзистори типу КП 103 мають п’ять паралельних каналів, біля кожного з яких розміщений додатковий другий затвор (першим затвором є підкладка).

У транзисторі з каналом р -типу на стік подається від'ємна напруга, а на заслін – напруга, при якій перехід заслін-канал закритий і струму не проводить.

Вихідний струм польового транзистора – струм стоку I_C залежить від напруги на стоці U_CB та з її підвищенням збільшується. Крім того, струм стоку І_C залежить від напруги на заслоні U_ЗВ, яка керує глибиною проникнення збідненого шару в об'ємі каналу, тобто його поперечним перерізом.

При напрузі U_CB =0 напруга U_3B викликає зменшення поперечного перерізу каналу (рис. 6 а) та збільшення його опору. Виникнення напруги U_CB змінює конфігурацію збідненого шару, причому переріз каналу із наближенням до стоку зменшується, оскільки збільшується різниця потенціалів між заслоном та каналом. При деякій напрузі U_CB, визначеній для кожного значення напруги U_ЗВ, збіднені шари з'єднуються (точка А на рис. 6 б) та починається насичення. Напругу U_CB=U_CBнас називають напругою насичення. При U_ЗВ =0 напруга насичення максимальна.

а б в

 

Рисунок 6 – Принцип роботи ПТ з каналом р -типу: а – перехід відкритий; б – відбувається процес насичення; в – перехід закритий

Збільшення напруги U_СВ призводить до зміщення точки А до витоку (рис. 6 в). Струм I_C підтримується за рахунок вприскування основних носіїв каналу в збіднену область так, як у колекторному переході біполярного транзистора. При подальшому збільшенні напруги U_СВ відбувається пробій, і транзистор виходить з ладу.

Основними параметрами польового транзистора є крутість стоко-заслінкової характеристики S та активна вихідна провідність g. Маючи експериментальні дані характеристик, визначимо параметри.

Визначення параметрів також є одним із етапів дослідження лінійних областей вольт-амперних характеристик транзистора. Крутість S визначається на лінійній ділянці стоково-заслінкової характеристики при фіксованій напрузі стоку.

 

при .

Провідність g визначається на лінійній ділянці стокової характеристики при фіксованій напрузі заслін-витік.

при = const.