9201_Rauan_LAB1_ispravlennaya

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

отчет

по лабораторной работе№2

по дисциплине «МНЭ»

Тема: Полевой МДП-транзистор

Студент гр. 9201	______________	Рауан М.
Преподаватель	_______________	Кондрашов А.В.

Санкт-Петербург

2022

Цель работы: приобретение практических навыков качественного анализа основных функциональных зависимостей, описывающих физические процессы, протекающие в полевом МДП-транзисторе.

Описание исследуемого прибора и принципа его действия:

Полевой МДПТ – полупроводниковый прибор с тремя выводами: затвором, истоком, стоком и изолирующим диэлектрическим слоем между затвором и полупроводником (металл-диэлектрик-полупроводник – МДП-структура). В кремниевых МДПТ в качестве диэлектрика обычно используется диоксид кремния, поэтому кремниевые транзисторы называют МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник – МОП-структура). Из них наибольшее распространение в интегральных схемах (ИС) получили транзисторы с индуцированным каналом.

Основными параметрами транзистора являются: длина канала L, ширина канала Z, толщина подзатворного диэлектрикаd, уровень легирования подложки Na.

Рисунок 1 – Поперечное сечение МДПТ

Работа МДПТ основана на управлении проводимостью цепи исток-сток с помощью напряжения на затворе. Когда напряжение на затворе отсутствует, электрическая цепь исток-сток представляет собой два n+-перехода, включенных навстречу друг другу. Ток в такой цепи очень мал и равен току обратносмещенного перехода. При подачи на затвор достаточно большого положительного напряжения в подзатворной области полупроводника индуцируется инверсный слой (канал) n-типа проводимости, соединяющий n⁺-области истока и стока. Теперь если увеличивать положительное напряжение на стоке, то ток в цепи исток-сток будет сначала линейно нарастать, а затем (U_D≥U_D.sat ) произойдет насыщение. Насыщение тока стока при фиксированном напряжении на затворе связано с сужением проводящего канала со стороны стока и с сокращением его длины при увеличении U_D. На рис. 2 схематично показаны сечения транзистора, иллюстрирующие влияние напряжения смещения на конфигурацию канала и обедненной области. В приближении плавного канала, однородного легирования и при учете только дрейфовой составляющей тока, а также полагая подвижности независящей от напряженности электрического поля, ток стока можно определить как:

,

где μn – подвижность электронов в канале; C_i – удельная теплоёмкость диэлектрика; U_T – пороговое напряжение.

Рисунок 2 – Влияние напряжений на контактах МДПТ на форму канала и обеднённой области

Ток стока в линейной области:

;

Ток стока в области насыщения:

;

Крутизна ВАХ МДПТ вычисляется следующим образом:

- для линейной области:

;

- для области насыщения:

;

Пороговое напряжение вычисляется следующим образом:

;

;

;

.

Основные положения имитационной модели:

Имитационная модель МДПТ, созданная средствами комплекса LabVIEW, реализует приведенную выше математическую модель. Виртуальная установка позволяет отслеживать влияние на ВАХ МДПТ следующих входных параметров: U_D – напряжение на стоке; Ug – напряжение на затворе; d – толщина подзатворного слоя диэлектрика; Na – уровень легирования канала активной примесью.

Лицевая панель включает изображения поперечного сечения n-канального МДПТ, элементы управления моделью (ввода входных параметров) и элементы отображения входных параметров в виде цифровых, стрелочных, шкальных индикаторов и экранов.

Обработка результатов эксперимента

1. Изменения ВАХ МДПТ при увеличении напряжения на затворе

Рисунок 3 - Стоковая характеристика МДП-транзистора в зависимости от напряжения затвора

Анализ:

Стоковая характеристика МДП-транзистора имеет два участка: линейный участок, где выполняется закон Ома, и пологий участок.

При увеличении потенциала на затворе транзистора, уровень Ферми в металлическом контакте понижается, это приводит к искривлению энергетических уровней полупроводника. При дальнейшем увеличении потенциала на затворе можно добиться такого искривления зон, что середина запрещённой зоны полупроводника начнёт пересекать уровень Ферми. Это приводит к повышению концентрации электронов над концентрацией дырок, и начнет образоваться инверсионный слой n-типа проводимости – возникает канал, соединяющий сток и исток.

При подаче на сток положительного потенциала возникает ток через канал. Дальнейшее увеличение потенциала стока может привести к тому, что увеличится обедненная область в обратном p-n-переходе, вблизи стока появляется большое количество ионизированной примеси, которая препятствует прохождению электронов через канал, что приводит к его сужению в области стока. Сужение канала в области стока происходит до тех пор, пока не достигнет длины Дебая, затем при увеличении потенциала на стоке начнется сужение канала по длине к истоку. В итоге с ростом напряжения на стоке рост тока прекращается и наступает насыщение.

При подаче большего напряжения на затвор увеличивается:

1) напряжение насыщения, так как рост потенциала на затворе приводит к росту инверсного слоя (глубины канала), и тем самым нужно подать большее напряжение на сток, чтобы сомкнуть канал;

2) ток насыщения, так как рост потенциала на затворе приводит к росту инверсного слоя (глубины канала), поэтому большего значения тока можно добиться пока не произошло смыкание канала и не возникло насыщение;

3) увеличивается крутизна характеристики, так как рост потенциала на затворе приводит к росту инверсного слоя (глубины канала), что приводит к увеличению проводимости канала, и, следовательно, увеличению крутизны на линейном участке.

2. Влияние увеличения толщины подзатворного слоя на ВАХ МДПТ.

Рисунок 4 -Стоковая характеристика МДП-транзистора в зависимости от толщины подзатворного слоя

Анализ:

С ростом толщины подзатворного слоя уменьшается:

1. напряжение насыщения, так как рост толщины подзатворного слоя приводит к уменьшению емкости и увеличению падания напряжения диэлектрике, следовательно, требуется подать меньшее напряжение на сток, чтобы настало насыщение;

2. ток насыщения и крутизны, так как рост толщины подзатворного слоя приводит к уменьшению емкости и увеличению падания напряжения диэлектрике, следовательно, уменьшается глубина инверсного слоя (канала), что приводит к уменьшению проводимости, тока и крутизны характеристики.

3. Изменение ВАХ МДПТ при увеличении концентрации примеси в активном слое.

­

Рисунок 5 - Стоковая характеристика МДП-транзистора в зависимости от концентрации примеси в активном слое.

Пояснение:

На рисунке 5 видно, что при уменьшении концентрации примесей в активном слое ток стока заметно растет при одинаковых значениях напряжений U_D, а режим насыщения наступит позже. Из формулы видно, что при увеличении концентрации примесей, растет и потенциал:

А также увеличивается и удельный заряд обедненной области:

Как следствие увеличивается пороговое напряжение:

Отсюда, снижение тока стока и напряжения насыщения:

,

.

4. Изменение глубины инверсного слоя при увеличении напряжения затвор-исток:

Рисунок 6 - Глубина инверсного слоя при различных напряжениях на затворе (1: Ug = 4 В, 2: Ug = 6 В, 3: Ug = 8 В)

Рисунок 7 - Глубина инверсного слоя при Ug=4 В, U_D = 6,11 В

Рисунок 8- Глубина инверсного слоя при Ug=6 В, U_D= 6,11 В

Рисунок 9 - Глубина инверсного слоя при Ug=8 В, U_D = 6,11 В

Анализ:

Как видно из рисунка 6-9, большему значению напряжения на затворе соответствует больший канал. Это происходит ввиду того, что при подаче все большего напряжения увеличивается инверсная область (ввиду изменения середины запрещенной зоны напряжением). А чем больше разрастается область, тем больше становится канал.

5. Изменение глубины инверсного слоя при увеличении напряжения сток – исток.

Рисунок 10 - Глубина инверсного слоя при различных напряжениях на стоке (a: U_D = 7 В, b: U_D = 4 В, c: U_D = 2 В)

Рисунок 11 - Глубина инверсного слоя при Ug = 4 В, U_D = 2 В

Рисунок 12- Глубина инверсного слоя при Ug = 4 В, U_D = 4 В

Рисунок 13 - Глубина инверсного слоя при Ug = 4 В, U_D = 7 В

Анализ:

при увеличении напряжения стока уменьшается длина канала, так как увеличивается обеднённая область, которая сильнее его сужает по длине к истоку. Глубина канала не изменяется, так как она зависит от потенциала затвора.

6. Конструктивные характеристики МДПТ, при которых I_D.sat = 125 мА, U_D.sat = 3,5 В:

Рисунок 14 - ВАХ МДПТ с заданными характеристиками

Вывод:

В лабораторной работе был произведен качественный анализ основных функциональных зависимостей, описывающих физические процессы, протекающие в полевом МДП- транзисторе.

Было установлено, что чем больше толщина диэлектрика, тем ток стока меньше. Также на уменьшение стокового тока влияет увеличение концентрации акцепторной примеси в активном слое. При увеличении напряжения затвор-исток ширина канала растет, а при уменьшении напряжения на стоке глубина инверсного слоя в стоковой части затвора увеличивается.