Исследование статических характеристик мдп-транзисторов со встроенным и индуцированным каналом

Цель работы: Исследование статических характеристик мдп-транзисторов со встроенным и индуцированным каналом, определение их параметров.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Работа полевых транзисторов основана на использовании носителей заряда только одного типа – основных (или электронов, или дырок). Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле.

Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим р-п переходом и со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП-транзисторы). В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния SiO2), используется название моп – транзисторы. Мдп-транзисторы в свою очередь подразделяются на транзисторы с индуцированным каналом и со встроенным каналом. Работа МДП-транзисторов основана на эффекте поля, т.е. на возможности изменять проводимость приповерхностных областей полупроводника за счет изменения поверхностного потенциала. Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называют каналом. Отсюда еще одно название такого класса транзисторов – канальные транзисторы.

 

Структура мдп-транзистора с n-каналом, выполненного на основе полупроводника р-типа, показана на рисунке 1.

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (3). Два других электрода называют истоком (И) и стоком (С). Эти электроды в принципе обратимы. Исток – электрод, через который в проводящий канал  втекают носители заряда. Сток – электрод, через который носители заряда вытекают. Затвор –электрод, на который подается электрический сигнал. Его используют для управления величиной тока в проводящем канале, протекающего от истока к стоку. Если канал  n-типа, то рабочие носители – электроны и полярность стока положительная. Исток обычно соединяют с основой полупроводника, которую называют подложкой (П). Схематические обозначения полевых транзисторов показаны на рис.2.

 1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Рассмотрим мдп – транзистор с n – каналом. Пусть затвор соединен с истоком, т.е. Uзи= 0. При этом проводящий канал отсутствует и на пути между стоком и истоком оказываются два встречновключенных р-n+ – перехода. Поэтому при подаче напряжения Uси ток в цепи стока Iси будет практически равен нулю.

Если подать на затвор отрицательное напряжение Uзи< 0, то неосновные носители заряда электроны будут вытесняться из прилегающей к затвору области и подзатворная область будет обогащаться дырками; но ситуация практически не изменится: два встречновключенных р-n+ – перехода останутся, ток Iси = 0. Если же подавать на затвор  положительное смещение Uзи> 0, то сначала образуется обедненный слой (основные носители дырки вытесняются из подзатворной области и притягиваются неосновные носители заряда электроны). При дальнейшем увеличении напряжения на затворе концентрация неосновных носителей электронов начинает очень быстро увеличиваться, а концентрация дырок уменьшатся и при определенных   Uзи > Uпор. происходит изменение типа электропроводности с дырочной на электронную (происходит инверсия типа проводимости) – образуется инверсионный слой электронов, т. е. проводящий канал n-типа проводимости, который соединяет область истока с областью стока. Такой канал называется индуцированным. При изменении потенциала затвора модулируется количество подвижных носителей заряда в канале, изменяя  его проводимость, а, следовательно, и ток в цепи исток – сток, если приложено Uси.. Ток стока Iс  зависит от потенциала стока Uси и затвора Uзи. Это и есть рабочий режим мдп – транзисторов. Поскольку входной ток (ток в цепи затвора) ничтожно мал (это ток утечки через диэлектрик), а выходной ток значителен (ток в цепи сток-исток) получается значительное усиление мощности, гораздо большее, чем у биполярных транзисторов, причем входное сопротивление таких транзисторов может достигать 1010 – 1014Ом.

Проводящие каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированными. Толщина индуцированного канала практически неизменная (1-5 нм), потому модуляция его проводимости обусловлена изменением концентрации носителей. Напряжение на затворе, при котором образуется проводящий канал, называют пороговым напряжением и обозначают Uпор. Если выбрать подложку n-типа, а области стока и истока сделать р+-типа, то получится мдп-транзистор с индуцированным р-каналом. Для него характерны обратные полярности порогового и рабочих напряжений: Uпор<0, Uзи<0, Uси <0.

Практически значения порогового напряжения лежат в пределах Uпор=0.5 – 3.5 В.

Электронные схемы, в которых используется сочетание транзисторов с n и р-каналами, называют комплементарными схемами – так же, как и в случае биполярных транзисторов.

Подложку мдп-транзисторов стараются делать из материала с высоким удельным сопротивлением, с тем чтобы облегчить образование канала и увеличить пробивное напряжение переходов истока и стока.

В принципе механизм работы и свойства мдп-транзисторов с n и р-каналами одинаковы. Однако есть и некоторые различия. Во-первых, n-канальные транзисторы более быстродействующие, так как подвижность их рабочих носителей – электронов примерно в три раза выше, чем дырок. Во-вторых, у n и р-канальных транзисторов структура приповерхностного слоя в равновесном состоянии оказывается разной, и это отражается на величине порогового напряжения.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом проводящий канал создают не за счет электрического поля, а технологическим путем. В этом случае мы также напряжением на затворе управляем проводимостью этого канала, причем в более широком интервале значений Uзи, поскольку такой канал существует и при нулевом напряжении на затворе. Для МДП-транзисторов со встроенным каналом вместо порогового напряжения вводят параметр напряжение отсечки. Напряжение отсечки – это  напряжение на затворе, при котором встроенный проводящий канал исчезает и ток в цепи сток – исток стремится к нулю. Транзисторы со встроенным каналом работают при обеих полярностях напряжения на затворе: при отрицательной полярности канал обедняется носителями (для n-канального транзистора) и ток стока уменьшается, при положительной полярности канал обогащается электронами (для n-канального транзистора) и ток увеличивается. Для р-канального транзистора полярности противоположные. Встроенный канал обычно выполняют в виде тонкого приповерхностного слоя с помощью ионного легирования.

Одним из важных параметров МДП-транзисторов является емкость затвор-канал, определяющая управляющую способность затвора. Эта удельная емкость (на ед.площади) имеет вид:

                                        С0=ε0 εд/d,                      

Где d – толщина подзатворного диэлектрика;

       εд – его диэлектрическая проницаемость.

Уменьшение величины d желательно, но ограничено пробоем диэлектрика. Типичные значения двуокиси кремния составляют d=0.1-0.15 мкм. Если положить d = 0.15 мкм и εд = 3.5 (для SiO2), то С0 = 200 пФ/мм2.

 

1.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рассмотрим влияние тока на структуру канала. Если напряжение Uси=0, то поверхность полупроводника эквипотенциальная, поле в диэлектрике однородное и толщина образовавшегося канала одинакова на всем протяжении (как на рис.1). При небольших значениях напряжения Uси ток в цепи стока возрастает практически линейно (крутая область зависимости). При дальнейшем увеличении этого напряжения надо учитывать, что потенциал поверхности возрастает от истока к стоку. Значит, разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока уменьшается. Соответственно уменьшается напряженность поля в диэлектрике и удельный заряд электронов в канале. Поэтому сечение канала вблизи области стока сужается, т.е. инверсионный слой или канал почти исчезает и ток стока стремится к постоянной величине, не зависящий от напряжения на стоке.

При некотором критическом напряжении на стоке, которое называют напряжением насыщения, разность потенциалов между затвором и поверхностью в области стока делается равной нулю. Одновременно в этой точке делаются равными нулю напряженность поля в диэлектрике и удельный заряд носителей в канале. Образуется так называемая горловина канала.

Напряжение насыщения имеет вид:

Uсинас=Uзи-Uпор  

При напряжениях Uси>Uнас происходит только укорочение канала; а потенциал “горловины” в области стока сохраняет значение Uнас, которое было в начале насыщения. После образования горловины канала ток в рабочей цепи практически перестает зависеть от напряжения на стоке – наступает насыщение тока (откуда и название напряжения Uнас), т.е. напряжения насыщения это напряжение между стоком и истоком при котором ток в цепи стока практически перестает изменяться (насыщается).

При дальнейшем увеличении напряжения сток-исток начинается резкий рост тока связанный с пробоем транзистора.

Статические характеристики МДП-транзисторов  представлены на рис.3. Причем для рис.3.а  |Ucи 1| > |Ucи 2|>|Ucи 3|, а для рис.3.б |Uзи 1| > |Uзи 2|>|Uзи 3|.

1.3. Стабильность параметров

При заданных напряжениях на затворе и стоке ток стока зависит от температуры. Эта зависимость обусловлена температурой зависимостью подвижности носителей и температурной зависимостью уровня Ферми в полупроводнике.

С ростом температуры и крутизна, и пороговое напряжение уменьшается, причем уменьшение этих параметров влияет на ток в противоположных направлениях. Существует такое значение тока Ic, при котором они уравновешиваются. Это стабильное значение называют критическим током. Наличие критического тока – важная отличительная черта мдп – транзисторов; она обеспечивает возможность температурной стабилизации схем простейшим путем – выбором рабочего тока.

Температурную нестабильность тока принято характеризовать не приращением тока ΔIc, а эквивалентным приращением напряжения ΔUзи, которое получается из очевидного соотношения: ΔUзи = ΔIc/S. Для токов, близких к критическому, характерны

температурные чувствительности ± 0,5 мВ/0С, для сверхкритических токов они составляют +(8-10) мВ/0С, а для субкритических  – (4-6) мВ/0С.

Тот факт, что главная рабочая часть мдп – транзистора – канал граничит непосредственно с инородной средой – диэлектриком, оказывает значительное влияние на стабильность параметров. Главное проявление нестабильности состоит в изменении порогового напряжения. Эти изменения обусловлены в первую очередь изменениями равновесного поверхностного заряда Qos. Поверхностный заряд меняется, например, при перемещении зарядов, всегда имеющихся в диэлектрической пленке. Такое перемещение может быть результатом диффузии при высокой температуре или дрейфа в сильном поле затвора.

При протекании тока неизбежно происходит обмен носителей заряда между каналом и ловушками, имеющимися в диэлектрической пленке. Важным следствием такого обмена являются флуктуации тока – одна из главных составляющих собственных шумов транзистора. Повышенный уровень собственных шумов – один из недостатков мдп – транзисторов.

Инерционность мдп – транзисторов по отношению к быстрым изменениям управляющего напряжения Uзи обусловлена двумя факторами: перезарядкой емкости затвора Сз и перезарядкой межэлектродных емкостей.

1.4. основные ПАРАМЕТРЫ Полевых транзисторов

и их ориентировочние значения

1. Крутизна характеристики S=dIc/dUзи при Uси=const. S=0.1- 500 мА/В.

  1. Внутреннее сопротивление rc=dUси/dIc при Uзи=const; rc= ед.-тысячи Ом.

3. Коэффициент усиления K= dUси/dUзи при Ic=const; К=50-200.

Эти три параметры связаны соотношением:  K=S rc                            

4.Напряжение отсечки Uзиотс.. Uзиотс. = 0.2-10 В.

5. Пороговое напряжение Uзипор.. Uзипор = 1-6 В.

6. Постоянный ток стока Ic. Ic = 10 мА- 0.7 А.

7. Максимальная (предельная) частота усиления fпр. fпр=10-100 МГц.

8. Входное сопротивление Rзи. Rзи= 1012 – 1015 Ом (для МДП-транзисторов).

9. Емкость затвор-канал Сз. Сз=ед.- сотни пФ.

В усилительной технике используются пологие участки вах – область насыщения. Этой области свойственны наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления.

1.5.Система обозначениЙ

В основу системы обозначений транзисторов положен семизначный буквенно-цифровой код.

Первый элемент обозначения — буква (для транзисторов широ­кого применения) или цифра (для приборов, используемых в устройствах общетехнического назначения), обозначающая исход­ный материал, на основе которого изготовлен транзистор (Г или 1 — германий или его соединения; К или 2—кремний или его соедине­ния; А или 3—соединения галлия; И или 4—соединения индия).

Второй элемент—буква, указывающая подкласс транзистора (Т — биполярный транзистор, П — полевой).

Третий элемент — цифра, определяющая его основные функциональные возможности (допустимое значение рассеиваемой мощности и граничную или максимальную рабочую частоту).

Четвертый – шестой элементы – трехзначное число (от 101 до 999), обозначающее порядковый номер разработки технологического типа транзисторов, отличающихся по своим параметрам.

Седьмой элемент- буква (от А до Я), означающая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

Лабораторный макет выполнен в унифицированном корпусе. Принципиальная электрическая схема, используемая в макете, приведена на рисунке 4 и на лицевой панели макета.

Рис.4.

Подключение измерительных приборов и соединение элементов схемы производится при помощи клемм, расположенных на передней панели макета.

При выполнении лабораторной работы используются следующие приборы:

1. Стабилизированный источник питания.

2. Вольтметры цифровые.

В лабораторной работе исследуются полевые мдп-транзисторы типа КП 905А и КП 305Е. (Возможны и другие типы транзисторов).