I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Определение основных параметров полевых транзисторов с затвором в виде МДП-структуры с помощью статических вольт-амперных характеристик.

Определение основных параметров полевых транзисторов с затвором в виде МДП-структуры с помощью статических вольт-амперных характеристик.

II. ВВЕДЕНИЕ

На рис.1 представлена схема полевого транзистора с затво­ром в виде МДП-структуры, подложкой n-типа и индуцированным каналом р-типа.

Прежде чем вывести соотношения для тока стока, напряжения на стоке и напряжения на затворе, необходимо сделать определен­ные допущения, упрощающие в дальнейшем выражения для вольт-амперных характеристик транзистора.

1. Считаем полупроводник невырожденным и расчет концентра­ции проводим по статистике Максвелла-Больцмана.

2. Подвижность в области канала - величина постоянная и не зависит от напряженности поля в канале.

3. Канал полностью экранирован от стока, обратная связь между каналом и стоком отсутствует.

4. Ток стока определяется только током в канале; токами утечки пренебрегаем.

5. Диэлектрик затвора представляет собой совершенный изо­лятор.

6. Паразитные сопротивления областей стока и истока не учитываются.

7. Изменение толщины канала по его длине считается плавным.

Вывод вольт-амперных характеристик начинается с составле­ния баланса зарядов целиком во всей системе металл-диэлектрик-полупроводник. Для простоты можно считать, что заряды на ловушках в окисле, заряды на поверхности полупроводника, ионизированные состояния на границе раздела, разность работ выхода полупроводник-диэлектрик объединены в один заряд Q_ПС - заряд поверхностных состояний. Обычно в системе кремний-двуокись кремния поверхностные состояния на границе раздела действуют как ионизирован­ные доноры, влияние которых сказывается на изгибе зон так, как если бы к затвору было приложено положительное смещение. Таким образом, появление на границе полупроводник-диэлектрик положительного заряда приводит к притеканию электронов из объема полупроводника к поверхности, и положительно заряженные поверхностные состояния компенсируются отрицательным зарядом электронов.

На рис.2а изображена зонная диаграмма полупроводника в области канала при условии отсутствия на затворе смещения, а баланс зарядов схематически изображен на рис.2б.

При подаче на затвор положительного смещения к поверхности полупроводника будет подходить все большее количество электронов, что соответствует режиму обогащения.

Для того, чтобы искривление зон на поверхности полупровод­ника отсутствовало, необходимо на затвор подать отрицательное смещение такой величины, чтобы скомпенсировать заряд поверхност­ных состояний. Этот случай носит название условия «плоских зон», при котором (y_S=0, рис.3.а и 3б).

Увеличение отрицательного смещения на затворе приводит к тому, что отрицательный заряд электронов уменьшается и электроны будут оттесняться из области канала, то ведет к созданию в приповерхностной области обедненного основными носителями слоя, заряд которого за счет ионизованных доноров будет положительным (рис.4а и 4б).

 

Дальнейшее увеличение отрицательного смещения на затворе приводит к такому искривлению энергетических зон, что сначала уровень Ферми достигает середины запрещенной зоны, (полупроводник переходит в область собственной проводимости, a y_S=y_B); а затем на поверхности полупроводника индуцируется положительный заряд, происходит инверсия типа проводимости полупроводника (при y_S=2y_B). Концентрация дырок на поверхности равна концентрации электронов в объеме.

На рис. 5.а изображена зонная диаграмма полупроводника для случая инверсии, а на рис. 5.б представлен баланс зарядов, в ко­тором общий заряд дырок в инверсионном слое, положительный заряд доноров в ОПЗ и заряд поверхностных состояний компенсируют отрицательный заряд на затворе.

Если вернуться к рис. 1, то очевидно, что только при определенных отрицательных смещениях на затворе между областями стока и истока индуцируется канал р-типа проводимости, благодаря которому основные носители области истока - дырки смогут перемещать­ся в область стока. Отсюда вытекает понятие порогового напряже­ния на затворе. Только при определенном, пороговом напряжении на затворе (и при условии подачи на сток необходимого смещения) в транзисторе может протекать заметный ток стока. Пороговое напряжение зависит от разности работ выхода Ф_MS, наличия зарядов в диэлектрике и на границе раздела. Например, для кремния n-типа и затвора, изготовленного из алюминия, при типичной концентрации примеси в кремнии 10¹⁶ см^-3 разность работ выхода Ф_MS = -0,3 В. При такой разности работ выхода электроны обогащают приповерхностный слой полупроводника. Аналогичный эффект от наличия суммарного положительного заряда в диэлектрике и на границе раздела. Учитывая эти факторы можно записать, что

.

где Ф_MS – разность работ выхода между полупроводником и ме­таллом;

C_Д – емкость диэлектрической пленки;

Q_ПС- встроенный в окисел и на границе раздела полупроводник-диэлектрик заряд.

Например, для кремния n-типа и затвора, изготовленного из алюминия, для типичной концентрации принеси в кремнии 10¹⁶ см^-3 Ф_МП = -0.3 В.

Потенциал на поверхности y_S=2y_B рассчиты­вается, исходя из концентрации примеси в полупроводнике. При приложении такого потенциала к поверхности полупроводника образуется слой объемного заряда толщиной W_{ОПЗ МАКС}.

Исходя из ширины области пространственного заряда в полупроводнике рассчитывается накопленный на единицу площади заряд Q_ОПЗ

.

Для сохранения заряда Q_ОПЗ в обедненном слое требуется заряд – О_ОПЗ на металлическом затворе, соответствующее ему напряжение на затворе .

Если известны параметры полупроводникового материала и экспериментально определили U_пор, то можно рассчитывать заряд в диэлектрике и на поверхностных состояниях Q_ПС.

Если в транзисторе образован канал, то при протекании тока стока конечное сопротив­ление канала вызывает на нем падение напряжения, так что при приложении U_ст потенциал в произвольной точке канала «y» будет равен U(y). Если все напряжение, приложенное к затвору, падает на диэлектрик, электрическое поле в диэлектрике можно выразить через разность потенциалом между затвором и каналом:

.

Поскольку в схеме с общим истоком потенциал в канале у истока равен 0, а потенциал у стока U_ст, электрическое поле около истока будет больше, чем около стока. Электрическое поле в диэлектрике индуцируется соответствующим электрическим зарядом, поэтому канал у истока будет толще, чем у стока.

При постоянном напряжении на стоке U_ст = const, не меняется и потенциал канала U(y). Изменение напряжения на зат­воре меняет E_Д, а следовательно, толщину канала. Таким образом, подавая на затвор переменный сигнал, можно модулировать количество носителей заряда в области канала, а, следовательно, и проводимость канала, управляя, таким образом, током канала.

Ток канала I_к определяется плотностью тока j_К(x,y), протекающего через поперечное сечение zdx (pиc.1). Плотность тока j(x,y) зависит от координат х и у, поскольку определяется полем в направлении «у» - E_y и зависит от проводимости канала s_X, которая является функцией его толщины х

(2)

где - подвижный заряд дырок на единицу площади; обозначим его - Q_р. Этот заряд находим из баланса всех зарядов в МДП-структуре:

Q_З+Q_ПС+Q_р+Q_ОПЗ=0. (3)

Заряд на затворе определяется с помощью теоремы Гаусса, согласно которой интеграл по площади от величины электрического поля определяется величиной наведенного заряда , а выражение (1) с учетом

можно переписать в виде:

, (4)

или Q’_З = С’_Д(U_З – U(y)), где - полная емкость диэлектрика.

Поскольку в баланс зарядов (3) входят удельные заряды, то есть заряды на единицу площади, окончательно

Q_З = С_Д(U_З – U(y)), (5)

где - удельная емкость диэлектрика.

Из баланса зарядов следует, что заряд дырок в инверсном слое равен:

. (6)

Подставляя полученное выражение в выражение для тока кана­ла, интегрируя и преобразуя его в предположении, что при напря­жении на затворе меньше порогового, ток канала равен 0, падение напряжения в канале U(y) также равно 0, получим зависимости тока канала от напряжений на стоке и затворе. Ток канала является током стока, который равен:

.

Для схемы с общим истоком U_ист = 0, поэтому:

, (7)

где (7а),

z - ширина, а L - длина канала. Из этого уравнения следует, что простая модель транзисто­ра с постоянный значением заряда в обедненной области верна лишь для малых напряжений затвора и стока. При малых U_ст: U_ст < (U_З – U_П)U_ст участок вольтамперной ха­рактеристики, описываемый уравнением (7), называется квазилиней­ным, сле­довательно, между током стока и напряжением на стоке почти ли­нейная зависимость

. (8)

При увеличении U_ст падение напряжения на участке канала вблизи стока увеличивается и поэтому уменьшается величина электрического паля Е_Д, индуци­рующего заряд Q_З и, следовательно, Q_p в канале. Канал обедняется неосновными носителями и проводимость его падает. Умень­шение проводимости канала приводит к переходу транзистора в пологую область вольт-амперных характеристик, которая называется также областью насыщения тока стока. При некоторых напряжениях на стоке электрическое поле Е_Д в слое диэлектрика окажется недоста­точным для наведения заряда Q_p в области канала, и заряд в полупроводнике представляет собой заряд области пространст­венного заряда - Q_ОПЗ. Канал перекрывается и вольт-амперные характери­стики переходят в режим насыщения. Величина тока стока остается постоянной, так как приращение напряжения на стоке приводит толь­ко к увеличению напряжения в обедненной области канала (вблизи стока), падение напряжения на самом канале остается без изменения и рав­но U_{СТ НАС}. Величина тока стока определяется проводимостью канала на участке между истоком и областью перекрытия. Ток стока в ка­нале определяется механизмом дрейфа носителей заряда в канале в продольном электрическом поле E_x, а в области пространствен­ного заряда канала неосновные носители - дырки движутся так же, как в обедненной области коллекторного перехода биполярного транзистора, то есть инжектируются из области канала в обеднен­ную область, а затем вытягиваются сильным электрическим полем в области стока.

На рис.6 представлена схема изменения конфигурации канала в зависимости от приложенного к стоку смещения при постоянном напряжении, поданном на затвор. Напряжение на стоке, при котором происходит отсечка канала и ток стока выходит на насыщение, можно определить, воспользовавшись условием отсутствия заряда в области канала Q_P = 0 = C_Д(U_З – U_пор – U_ст) при этом U_ст = U_ст.нас и поэтому U_ст.нас = U_З - U_пор. Подставляя это значение напряжения в выражение для тока стока, получаем величину тока насыщения

, (9)

откуда видно, что ток стока не зависит от напряжения на стоке. На рис.7 представлены вольт-амперные характеристики МДП-транзистора, построенные при различных напряжениях на затворе. При возрастании по абсолютной величине напряжения на затворе, когда в области канала индуцируется возрастающий положительный заряд ды­рок, все характеристики сдвигаются в сторону увеличения тока сто­ка. Наименьшим током будет ток при напряжении на затворе равным пороговому. Для определенности пороговым напряжением называется напряжение на затворе, обеспечивающее ток стока равный 10 мкА.

 

Основным параметром транзистора, определяющим его усилительные свойства является крутизна,. Крутизна представляет собой отношение малого приращения тока стока к напряжению на затворе, которое обеспечивает данное изменение тока

. (10)

 

Дифференцируя выражение (9) получим

. (11)

Анализируя полученное выражение можно видеть, что крутизна определяется конструкцией самого транзистора в частности, отношением ширины канала к его длине, толщиной диэлектрика d_Д и напряжением на затворе U_З.

Крутизна для крутой области характеристик определяется, исходя из уравнения тока стока (8) в этой области:

. (12)

В этой области крутизна не зависит от напряжения на затворе, а определяется только напряжением стока.

Динамическая проводимость канала q_К, находится, исходя из уравнений для тока стока (7)

.

Крутизну можно найти из экспериментальных зависимостей то­ка стока от напряжений на затворе (рис.8)

При включении транзистора с замкнутыми между собой стоком и затвором, когда |U_СТ|=|U_З|, он работает в пологой области характеристик

.

Экстраполяция этой прямой на ось напряжений U_З позволяет найти пороговое напряжение, а наклон прямой соответствуют крутизне. Для двух точек вольт-амперной характеристики

,

отсюда

Следовательно, крутизну характеристики можно рассчитать по двум измерениям тока стока на пологом участке вольт-амперной характе­ристики или непосредственно из графика зависимости .

III. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Поскольку при выполнении лабораторной работы необходимо провести измерения нескольких параметров полевых транзисторов, рас­смотрим методики измерения некоторых из них.

Измерение тока стока полевых транзисторов малой мощности осуществляется методом измерения тока в цепи стока при заданных напряжениях на затворе, стоке и подложке. Эти напряжения подаются от блока режимов установки. Источники питания полевых транзисто­ров представляют собой полупроводниковые стабилизаторы регулиру­емого напряжения. Выходное напряжение стабилизатора регулируется с помощью переключателей и переменных резисторов. Все переключатели и переменные резисторы выведены на переднюю панель блока режимов. Для контроля выходных напряжений предназначен вольтметр. Вольтметр подключается к одному из источников при помощи пере­ключателя, обозначенного на передней панели буквой «Е».

Для контроля тока стока измеряемого транзистора применяет­ся миллиамперметр, обозначенный «I_СТ». Выбор диапазона измерений от 0,3 до 300 мА производится с помощью переключателя «J_СТ», выведенного на передней панели блока режимов.

Измерение порогового напряжения U_ПОР проводится путем измерения напряжения на затворе при заданном значении тока стока. Напряжения на стоке и подложке задаются при этом блоком режимов. Ток стока, величина которого задается на уровне (1 мкА, 10 мкА и 1 мА), протекает через нагрузку R_Н и создает падение напряже­ния, пропорциональное этому току. Напряжение на затворе устанав­ливается автоматически в зависимости от выбранного значения тока стока с помощью схемы слежения (рис.9).

На рис.10 представлена структурная схема измерения тока стока. Напряжения на затвор и сток подаются от блока режимов. Напряжение затвора преобразуется в импульсное и с помощью это­го напряжения производится управление полевым транзистором. Полезный сигнал снимается с нагрузки и подается на делитель напря­жения, который определяет поддиапазон измеряемого тока, далее

через ряд каскадов на индикатор, по которому производится отсчет измеряемого тока.

Крутизна полевого транзистора определяется как отношение переменной составляющей тока стока к переменной составляющей напряжения на затворе, поэтому измерение крутизны осуществляется методом измерения переменной составляющей тока стока в режиме короткого замыкания выхода транзистора по переменному току. Пе­ременный сигнал на затвор транзистора подается от генератора низ­кочастотных сигналов. В цепи стока стоит сопротивление, величина которого должна быть много меньше выходного сопротивления транзистора. Переменное напряжение, снимаемое с этого сопротивления пропорционально крутизне, это напряжение измеряется так, как по­казано на рис.11.

Чувствительность измерительной схемы устанавливается в режиме калибровки, когда сигнал от генератора низкой частоты через калибровочное сопротивление R_К и сопротивление нагрузки в цепи стока R_Н через трансформатор Т_Р подается на вход измерительной схемы. В этом режиме устанавливается чувствительность по максимальному отклонению стрелки индикатора.

При измерении крутизны сигнал на затвор испытуемого транзистора подается от генератора через делитель, определяющий поддиапазоны измеряемой крутизны. С помощью делителя напряжения в каждом поддиапазоне устанавливается такая величина переменного сигнала, чтобы переменный сигнал со стока, подаваемый на вход измерительной схемы, сохранял одинаковую амплитуду при отклонении стрелки на максимальное деление шкалы.

IV. ЗАДАНИЕ

ВНИМАНИЕ: перед измерениями всех параметров и характеристик, определить полярность подаваемых напряжений на затвор и сток, в зависимости от типа проводимости канала.

1. Определить пороговое напряжение U_ПОР испытуемого транзисто­ра. Для оценки U_ПОР следует воспользоваться справочными данными.

2. Измерить семейство выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ). Для этого подать на затвор напряжение, превышающее пороговое U_ПОР. Напряжение на стоке за­давать через 0,5 В до напряжения обеспечивающего наличие линейного и пологого участков ВАХ.

3. Повторить все измерения при других значениях напряжения на затворе, задавая напряжение на затворе через 1В или 2В.

4. Измерить зависимость тока стока от напряжения на затворе (переходная ВАХ ПТ МДП) при постоянном значении напряжения на стоке.

Измерения провести через 1 В и повторить их при различных напряжениях на стоке.

5. По измеренным характеристикам определить пороговое напряже­ние U_ПОР.

6. Измерить крутизну испытуемого транзистора при различных напряжениях на стоке транзистора и при различных напряжениях на затворе. Напряжение на стоке задавать через 0,5 В.

Повторить все измерения при других напряжениях на затворе, изменяя его через 1В, 2В.

7. Измерить крутизну испытуемого транзистора при различных напряжениях на затворе, задавая их через 1 B и повторить их при различных напряжениях на стоке, задавая их через 2В.

8. Перестроить зависимость тока стока от напряжения на зат­воре при двух напряжениях на стоке в зависимость и экстраполяцией полученных зависимостей на ось напряжения определить пороговое напряжение.

Из наклона характеристики определить значение b, сравнить его со значением b, полученным из соотно­шения (7а), подставляя в него измеренные U_З и U_ПОР.

9. Оценить соотношение геометрических размеров транзистора z/L принимая, что известны толщина слоя окисла (для SiO₂ примерно, 150 нм), его диэлектрическая проницаемость e_Д=3,8 и подвижность носителей заряда, например, в области р-канала m_p=180-200 см²/Вс для кристаллографической ориентации [100], m_p=240-250 см²/Вс для кристаллографической ориентации [111].

10. Рассчитать крутизну характеристики полевого транзистора путем графического дифференцирования передаточных характеристик при различных значениях напряжения стока. Сравнить полученное зна­чение с измеренной величиной крутизны при тех же значениях напря­жения на стоке.

V. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении работs следует руководствоваться указания­ми по технике безопасности, приведенными на стр.3-5.

Перед работой все ручки управления блока режимов должны быть выведена в крайне левое положение, а переключатель”I_c” в блоке режимов - в крайне правое положение.

Включить в сеть блок режимов и измерительный блок и дать обоим приборам прогреться в течение 15 мин. После прогрева уста­новить тумблеры, определяющие полярность подаваемого на затвор на­пряжения и ток смещения в соответствующие положения, определяемые типом испытуемого транзистора. Тумблеры полярности находятся с ле­вой стороны измерительного блока “+E_C” - полярность напряжения стока, “+E_З” - полярность напряжения на затворе, “+E_П” - полярность напряжения на подложке (напряжение на подложке устанавливается равным нулю в данной работе).

После прогрева и подготовке прибора к работе испытуемый транзистор ставится в контактную головку измерительного блока согласно его цоколевке.

Для измерения порогового напряжения поставьте переключатель «параметры» в положение U_пор, переключатель U_пор(V) в положение 30, оденьте кожух на контактную головку и выберите диапазон измерения, удобный для отсчета. После установке стрелки прибора произведите отсчет.

После измерения порогового напряжения можно приступить к измерению выходных характеристик при фиксированном напряжении затвора U_З. Для этого переключатель "параметры" переведите в положение I_C, переключатель I_C на блоке режимов в положение 300.

На том же блоке режимов задайте необходимые значения U_З и U_ст: переключатель E поставьте в соответствующее положение (для задания напряжения на затворе в положение Е_З, а для задания напряжения на стоке - в положение Е_С. Ручками переключателя диапазонов и плавной регулировкой установить по шкале вольтметра соответствующие значения U_З и U_ст, меняя переключателем I_с диапазон измерения, найти значение тока стока.

Аналогично снимается зависимость тока стока от напряжения на затворе.

Для определения крутизны характеристики транзистора при заданных напряжениях на стоке и затворе необходимо переключатель "параметры" поставить в положение S, при этом загорается сигнальная лампочка, указывающая на поддиапазон отсчета, переключа­тель S mА/V- должен находиться в положении 30, а тумблер ⊓ в положение «-». Перед измерением крутизны производится калибровка. Для этого тумблер «измерение – калибровка» переводится в положение "калибровка" и ручкой "калибровка" стрелка индикатора устанавливается на максимальное деление шкалы.

Проведя калибровку можно приступить к измерениям крутизны. Для этого тумблер «измерение – калибровка» переводится в положение "измерение" и отсчет производится по шкале индикатора с учетом положения переключателя диапазонов S mА/V.

При работе на приборе необходимо помнить, что кожух, одеваемый на испытуемый транзистор является одновременно блокирующим устройством и поэтому все измерения могут проводиться только при закрытом кожухом транзисторе. Кроме того, при всех измерениях переключатели должны находиться в крайнем правом положении и только при отсчете производится переключение на более чувствительные диапазоны измерения.