МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра электронных приборов и устройств

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Микро- и наноэлектроника»

Тема: «ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С ЗАТВОРОМ ШОТТКИ»

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 транзисторе с затвором Шоттки (ПТШ).

Основные положения

Модель ПТШ. Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор с тремя выводами: истоком, затвором и стоком. Ток, протекающий по проводящему каналу между затвором и истоком, управляется напряжением на затворе. Рассматриваемые полевые транзисторы с затвором в виде барьера Шоттки являются униполярными приборами.

Перенос заряда осуществляется электронами (в n-канальных приборах) или дырками (в p-канальных приборах). Поперечное сечение ПТШ показано на рисунке, где S – исток, G – затвор, D – сток, L – длина канала, А – толщина структуры, h – глубина канала, W – глубина обедненной области.

Рисунок 1- Поперечное сечение ПТШ

Анализ работы длинноканального (L>>А) ПТШ проводим при следующих приближениях: приближения плавного канала; приближение резкого края обедненной области; независимости подвижности носителей; однородности легирования по толщине пленки; равенстве нулю последовательных сопротивлений стока и истока. При отсутствии напряжения между истоком и стоком (Uст 0) глубина обедненной области определяется контактной разностью потенциалов (U_bi=J_i) и напряжением на затворе:

где Nd– концентрация донорной примеси; q – заряд электрона;  – диэлектрическая проницаемость полупроводника; U_bi – контактная разность потенциалов; Uз– напряжение на затворе. Отметим, что в n-канальных приборах Uз отрицательно относительно истока, а в приведенных выражениях под Uз будем понимать абсолютное значение напряжения на затворе. В случае Uст  0 обедненная область расширяется от W₁ на истоковом конце затвора (рисунок 2) до W₂ на стоковом конце.

Глубина обеднения определяется следующей формулой:

где U(x) – локальное значение потенциала в проводящем канале ПТШ на расстоянии x от стокового конца затвора.

Рисунок 2 - Обедненная область при  0

Зависимость дрейфовой скорости от электрического поля в этой модели определяется как:

где ν – дрейфовая скорость; E – напряженность электрического поля;  – подвижность свободных носителей заряда.

Напряжение отсечки U_p определяют из условия смыкания обедненной области и подложки, т. е. W=A:

Рисунок 3 - ВАХ U_G1>U_G2>U_G3

Увеличение напряжение между стоком и истоком приводит к возрастанию тока канала, что соответствует линейной области ВАХ (рисунок 3, область 1). Ток в этой области определяется выражением

,

где – относительная глубина обеднения под истоковым концом затвора; – относительная глубина обеднения под стоковым концом затвора; - ток отсечки канала (Z – ширина структуры ПТШ).

При возрастании U_D глубина канала под стоковым концом становится равной A, ток достигает максимального значения – тока насыщения:

На ВАХ этому значению тока соответствует область насыщения (см. рисунок 3, область 2). Напряжение, соответствующее началу области насыщения ( ), определяется следующим образом:

Дальнейшее увеличение напряжения на стоке практически не изменяет ток стока. Важной характеристикой ПТШ является крутизна:

Канальные полевые транзисторы широко применяются в высокочастотных схемах в качестве усилителей. Характеристиками, определяющими работу ПТШ в высокочастотных схемах, являются:

– емкость перехода затвор-сток:

– граничная частота

Модель ПТШ на кремнии. Для ПТШ на кремнии зависимость дрейфовой скорости от электрического поля отличается от той, что была в первой модели. Эту зависимость можно аппроксимировать следующим выражением:

где – дрейфовая скорость насыщения.

Увеличение напряжение между стоком и истоком приводит к возрастанию тока канала, что соответствует линейной области ВАХ (рисунок 3, область 1). Ток в этой области определяется выражением

При возрастании глубина канала под стоковым концом становится равной A, ток достигает максимального значения – тока насыщения:

Дальнейшее увеличение напряжения на стоке практически не изменяет ток стока. Важной характеристикой ПТШ является крутизна:

Крутизна максимальна в области насыщения:

Модель ПТШ на кремнии с учетов сопротивлений стока и истока. Ток ПТШ на кремнии с учетом сопротивления стока и истока определяется следующим уравнением:

Ток отсечки определяется из выражения:

где R_D – сопротивления стока; R_S – сопротивления истока. В выше приведённых выражениях использованы обозначения:

Крутизна определяется следующими уравнениями:

где

Основные положения имитационной модели:

Имитационная модель ПТШ, созданная средствами комплекса LabVIEW, реализует приведенную выше математическую модель. Виртуальная установка позволяет отслеживать влияние на ВАХ и крутизну ВАХ ПТШ, напряжение на стоке при четырех последовательно заданных наборах следующих входных параметров: Uз – напряжение на затворе; L – длина затвора; Nd – уровень легирования канала; A – толщина активного (эпитаксиального) слоя.

Лицевая панель включает изображения поперечного сечения ПТШ, 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 птш при увеличении напряжения на затворе

Рисунок 4 - ВАХ ПТШ при увеличении напряжения на затворе

Анализ:

На рисунке 4 представления стоковая характеристика ПТШ, данная зависимость имеет линейный участок и пологий участок (участок насыщения). Линейный участок объясняется тем, что с ростом напряжения на стоке происходит рост ток стока. Однако с ростом напряжения на стоке происходит рост глубины обедненной области под затвором со стороны стока, что приводит к постепенному сужению канала. При достижении напряжения на стоке напряжения насыщения, канал сузился до минимально возможного значения, и дальнейший рост напряжения на стоке будет приводить к сужению канала по длине в сторону истока.

С уменьшением напряжения на затворе происходит уменьшение напряжения насыщения, это связано с тем, что уменьшение напряжения на затворе приводит к росту глубины обедненной области под затвором, что уменьшает толщину канала. Так как рост напряжения на стоке приводит к увеличению глубины обедненной области под затвором со стороны стока, то уменьшается канал, а благодаря уменьшению напряжения на затворе также уменьшается канал, следовательно, чем меньшее напряжение на затвор подать, то тем при меньшем напряжении на стоке произойдет сужение канала до минимально возможного и начнется насыщение.

С увеличением напряжения на затворе происходит увеличение тока насыщения, это объясняется тем, что с увеличением напряжения на затворе происходит уменьшение глубины обеденной области под затвором, а, следовательно, напряжение насыщения выросло, т.е. выросло напряжение сток-исток, что приведет к росту тока стока и росту тока насыщения.

С увеличением напряжения на затворе увеличивается крутизна стоковой характеристики, так как толщина канала при большем напряжении на затворе больше, то сопротивление этого канала меньше, что и приводит к росту крутизны.

Крутизна ПТШ при разных напряжениях на затворе

Рисунок 5 - Зависимость крутизны от напряжения на стоке в ПТШ приразличном напряжении на затворе

Анализ:

На рисунке 5 приведена зависимость крутизны ПТШ (отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе) от напряжения на стоке. Как видно из графика, с увеличением по модулю значения напряжения на затворе происходит уменьшение наклона кривой, т.к. происходит увеличение обеднённой области, т.е. происходит уменьшение глубины канала, что приводит к тому, что крутизна увеличивается медленнее, потому что напряжение на затворе меньше влияет на ток. Напряжение насыщения с увеличением по модулю значения напряжения на затворе уменьшается, т.к. для достижения каналом дна активного слоя нужно подать меньшее напряжение на сток.

Насыщение крутизны происходит потому что, при достижении обеднённой области дна активного слоя напряжение на затворе уже никак не изменяет её глубину (сопротивление данного участка постоянно).

2. Вах птш при различных значениях концентрации

Рисунок 6 - ВАХ ПТШ при различных значениях концентрации