18

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

Моделювання характеристик і визначення параметрів польових транзисторів

Інструкція до лабораторної роботи № 6

з навчальної дисципліни:

“Компонентна база засобів технічного захисту інформації”,

для студентів базового напрямку

6.170102 “Системи технічного захисту інформації”,

Затверджено

на засіданні кафедри

Захист інформації

Протокол № від 2012 р.

Львів – 2012

Моделювання характеристик і визначення параметрів польових транзисторів: Інструкція до лабораторної роботи №6 з дисципліни: “Компонентна база засобів технічного захисту інформації” /Укл.: Кеньо Г.В.  Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2012.  с.

Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц.

Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.

Рецензенти:

1. Мета роботи

Ознайомитися з особливостями роботи польового транзистора з керувальним р-п-переходом, МДН-транзисторів з індукованим та вбудованим каналами, промоделювати їх стокові та стоково-затворні характеристики, визначити їх параметри.

2. Завдання

За допомогою графічного редактора системи схемотехнічного моделювання MicroCap 8 ознайомитись з моделями польових транзисторів. Отримати та дослідити вольт-амперні характеристики, визначити параметри польових транзисторів.

3. Теоретичні відомості

Польові транзистори (ПТ) (канальні або уніполярні) – це транзистори, в яких керування струмом відбувається шляхом зміни електропровідності каналу з допомогою електричного поля, яке направлене перпендикулярно до напрямку протікання струму. Головною перевагою польових транзисторів є високий вхідний опір, значення якого може навіть перевищувати вхідний опір електронних ламп.

Польовий транзистор (канальний, або уніполярний транзистор) має три напівпровідникові ділянки одного і того ж типу провідності, які називають витоком („В”), стоком („С”) і каналом, а також керувальний електрод – затвор („З”). У польовому транзисторі використовується рух носіїв заряду тільки одного знаку (основних носіїв), які з витоку через канал рухаються до стоку. Електричне поле, яке виникає за наявності напруги між затвором і стоком, змінює електропровідність каналу, а, отже, і струм через канал. Це керувальне електричне поле спрямоване перпендикулярно до руху носіїв у каналі, тобто є поперечним. Воно формується і змінюється малопотужними інформаційними сигналами. Носії в каналі рухаються від витоку до стоку під дією поздовжнього електричного поля, яке створюється між витоком та стоком при під’єднанні джерела живлення.

Всі польові транзистори за своїми конструктивними особливостями поділяються на дві групи:

1. з керувальними переходами;

2. з ізольованим затвором (МДН- або МОН-транзистори), які, своєю чергою, поділяються на транзистори з індукованим або вбудованим каналом.

Польові транзистори розрізняють також за типом провідності каналу: транзистори з р-каналом та транзистори з n-каналом.

Характерним для всіх польових транзисторів є дуже малий струм у колі затвора, оскільки затвор або утворює з каналом випрямний перехід, увімкнений у зворотному напрямку, або є ізольованим від каналу тонким шаром діелектрика. Затвор в електронних схемах зазвичай є вхідним електродом, тому польові транзистори мають великий вхідний опір, що зумовлює керування таким приладом не струмом (як у біполярних транзисторах), а напругою.

Умовні позначення польових транзисторів подані на рис.1.

а б в г д е

Рис.1. Умовні позначення польових транзисторів:

І – з керувальним р-n–переходом і каналом р-типу (а), каналом п-типу (б);

ІІ – з ізольованим затвором та індукованим каналом р-типу (в), п-типу (г);

ІІІ –з ізольованим затвором та вбудованим каналом р-типу (д), п-типу (е).

Польовий транзистор з керувальним переходом – це польовий транзистор, у якому керування потоком основних носіїв заряду здійснюється за допомогою випрямного електричного переходу, зміщеного у зворотному напрямку.

На рис.2 схематично зображено конструкцію польового транзистора з двома р-n-переходами і схему його вмикання.

а б в

Рис.2. Схематичне зображення конструкції польового транзистора з керувальним р-n-переходом і каналом п-типу і схема його вмикання (а); та його статичні вольт-амперні характеристики: стік-затворна (б); вихідні (в)

Канал являє собою тонкий шар напівпровідника, обмежений з двох боків електронно-дірковими переходами. Увімкнення каналу в електричне коло забезпечується за допомогою омічних контактів (п⁺) електродів стоку та витоку. Це коло живиться від джерела E_СВ, і в нього ввімкнене навантаження R_Н. Уздовж транзистора протікає початковий струм основних носіїв (електронів). Затвор З під’єднаний до області р-типу. Джерело живлення вхідного кола Е_ЗВ створює на р-п-переході транзистора зворотну напругу (напругу іншої полярності, тобто пряму напругу, на п-р-перехід не подають). У вхідне коло ввімкнене джерело підсилюваних коливань U_вх.

Величина струму в каналі залежить від напруги U_СВ, прикладеної між стоком та витоком, опору навантаження та опору каналу. За незмінних значень U_СВ та R_Н струм у каналі І_С (струм стоку) залежить тільки від ефективної площі поперечного перерізу каналу.

Джерело Е_ЗВ створює зворотну напругу на р-п-переході, внаслідок чого збільшується ширина р-п-переходу і зменшується переріз струмопровідного каналу. Зі зменшенням перерізу каналу збільшується опір між витоком та стоком і знижується величина струму І_С. Зі зменшенням напруги на затворі збільшується переріз каналу, зменшується його опір, і збільшується струм І_С. Якщо під’єднати послідовно з джерелом живлення Е_ЗВ джерело підсилюваної змінної напруги U_вх, то можна змінювати струм через канал за законом зміни вхідної напруги. Струм стоку, протікаючи через опір навантаження R_Н, створює на ньому спад напруги, який змінюється за законом зміни U_вх.

Польовий транзистор має великі вхідний та вихідний опори. Тому статичні характеристики досліджуються як залежності від напруг. Вхідна характеристика із-за дуже малого струму (зворотного струму р-п-переходу) не використовується із-за відсутності інформативності. Для оцінки ПТ як активного елемента електронних схем використовують дві сім’ї статичних характеристик – характеристики керування (стік–затворні) та вихідні (стокові). На рис.2,б.в подані статичні характеристики ПТ з керувальним р-п-переходом.

Стік–затворні характеристики відображають залежність струму стоку від напруги на затворі за різних напруг на стоці (рис.2,б):

І_С=f(U_ЗВ), якщо U_СВ=const. (1)

Якщо U_ЗВ=0, канал не перекривається, його поперечний переріз має максимальне значення, а струм стоку за наявності напруги між витоком та стоком має максимальне значення І_Сmax. Зі збільшенням зворотної напруги на переходах (U_ЗВ) області просторового заряду переходів розширюються, зменшуючи переріз каналу, і струм стоку зменшується. За напруги відсікання U_{ЗВ відс} канал перекривається, струм стоку припиняється (І_С =0), витік та стік стають ізольованими один від одного.

Вихідні характеристики (рис.2,в) відображають залежність струму стоку від напруги на стоці відносно витоку за різних постійних напруг на затворі:

І_С=f(U_СВ), якщо U_ЗВ=const. (2)

Якщо U_ЗВ=0, то при збільшенні додатної напруги U_СВ на стоці струм І_С буде наростати. Спочатку залежність І_С=f(U_СВ) буде майже лінійною (ділянка 0А). Однак, зі зростанням І_С збільшується спад напруги на каналі, збільшується зворотне зміщення для р-п-переходів (особливо поблизу стоку), що веде до звуження перерізу струмопровідного каналу і сповільнення зростання струму І_С. За деякої напруги на стоці U_{СВ нас} (напруги насичення) поперечний переріз каналу біля стоку досягає мінімального значення (точка В). Подальше збільшення U_СВ практично не викликає збільшення струму стоку, а мінімальний переріз каналу автоматично підтримується на деякому рівні. Формується полога ділянка вихідних характеристик (ділянка ВС). Діапазон напруг, якому відповідає полога ділянка ВАХ, відповідає режиму насичення. Якщо U_ЗВ=0, значення напруги насичення дорівнює значенню напруги відсікання U_{ЗВ відс}.

Польовий транзистор з ізольованим затвором – це польовий транзистор, що має один або декілька затворів, електрично ізольованих від провідного каналу. Оскільки ізолювальним шаром між напівпровідником та металевим затвором є діелектрик, то такі транзистори називаються МДН-транзисторами (рис.3, 4). У випадку, коли ізолювальним шаром є диоксид кремнію, МДН-транзистор називають МОН-транзистором.

Основою МДН-транзистора служить кремнієва пластина (підкладка) з електропровідністю р-типу. Області витоку та стоку являють собою високолеговані ділянки кремнію з електропровідністю п⁺-типу. На поверхні кремнію, між областями витоку та стоку, формується тонкий діелектричний шар, на який зверху наноситься металева плівка і формується вивід затвору. Діелектрик між затвором і поверхнею кремнію між витоком та стоком запобігає протіканню струму в колі затвора за будь-якої полярності напруги на затворі.

Існують два різновиди МДН-транзисторів: з індукованим каналом та з вбудованим каналом.

В МДН транзисторах з індукованим (наведеним) каналом (рис.3,а) провідний канал між сильнолегованими ділянками витоку та стоку, а тому і струм стоку, з’являються лише за умови подавання на затвор визначеного значення напруги відносно стоку, яку називають пороговою напругою (U_{ЗВ пор}). У МДН-транзисторах з наведеним каналом, якщо немає напруги на затворі, струм стоку дорівнює нулю за будь якого значення і полярності напруги між витоком та стоком. Це зумовлено тим, що між витоком та стоком сформовано два р-n-переходи, увімкнені назустріч один одному. Один з них завжди обмежує струм стоку на рівні зворотного струму р-n-переходу.

Струм стоку не зміниться, якщо на затвор транзистора зі структурою n⁺-p-n⁺ (рис.5.5,а) подати від’ємну напругу. За такої полярності напруги U_ЗВ основні носії заряду (дірки) притягуються з підкладки до приповерхневого шару, але це не змінює структуру приладу. Два р-n-переходи залишаються увімкненими зустрічно.

Якщо на затвор відносно витоку подається позитивна напруга (для транзисторів з n-підкладкою – негативна), то основні носії заряду р-підкладки (дірки) виштовхуються з приповерхневого шару під затвором, а неосновні (електрони), навпаки – притягуються. За деякої додатної напруги на затворі (порогової напруги) у приповерхневому шарі між витоком та стоком електронів стає більше ніж дірок, тобто відбувається інверсія провідності. У результаті формується тонка ділянка інверсного шару, яка називається каналом, товщина і питома провідність якого збільшуються зі зростанням напруги на затворі. Сильнолеговані n⁺-ділянки витоку та стоку з’єднуються n-каналом, що забезпечує появу струму стоку.

а б в

Рис.3. Структура та схема увімкнення МДН-транзистора з індукованим каналом п-типу (а); та його статичні вольт-амперні характеристики: стік-затворна (б); вихідні (в)

Як і в ПТ з керувальним р-n-переходом, залежність струму стоку від напруги на затворі відображає його стік–затворна характеристика (рис.3,б), а залежність струму стоку від напруги між стоком та витоком – сім’я вихідних характеристик за різних постійних значень напруги між затвором та витоком (рис.3,в).

Вихідні характеристики МДН-транзистора подібні до вихідних характеристик польового транзистора з керувальним р-п-переходом. Це пояснюється тим, що при зростанні напруги U_СВ від нуля спочатку діє закон Ома, і струм зростає приблизно пропорційно напрузі, а потім, за деякої напруги U_СВ, канал починає звужуватися, особливо біля стоку. Оскільки на р-п-переході між каналом і кристалом зростає зворотна напруга, область цього переходу, збіднена носіями, розширюється, і опір каналу збільшується. Таким чином, струм стоку витримує два взаємно протилежних впливи: від збільшення U_СВ струм повинен зростати згідно із законом Ома, але від збільшення опору каналу струм зменшується. У результаті струм стоку залишається майже незмінним до такого значення напруги U_СВ, за якого наступає електричний пробій.

У випадку, якщо кристал має електропровідність n-типу, канал повинен бути р-типу, і полярність напруг необхідно змінити на протилежні.

У МДН-транзисторах з вбудованим (власним) каналом (рис.4,а) біля поверхні напівпровідника під затвором за нульової напруги на затворі відносно витоку існує інверсний шар – канал, який з’єднує витік зі стоком. Канал між витоком та стоком створюється штучно (легуванням) або виникає природно внаслідок контактних явищ на межі розділу діелектрик – напівпровідник. Тип провідності каналу збігається з типом провідності витоку та стоку. Сильнолеговані n⁺-ділянки витоку та стоку з’єднуються n-каналом, що забезпечує наявність початкового струму стоку. Залежність струму стоку від напруги на затворі відображає його стік–затворна характеристика (рис.4,б).

При подаванні на затвор напруги, від’ємної відносно витоку, у каналі створюється поперечне електричне поле, під впливом якого електрони провідності виштовхуються з каналу в області витоку і стоку і в кристал. Канал збіднюється електронами, опір його збільшується, і струм стоку зменшується. Чим більша від’ємна напруга на затворі, тим менший цей струм. Такий режим транзистора називають режимом збіднення.

а б в

Рис.4. Структура та схема увімкнення МДН-транзистора з вбудованим каналом п-типу (а); та його статичні вольт-амперні характеристики: стік-затворна (б); вихідні (в)

Якщо ж на затвор подати додатну напругу, то під дією поля, створеного цією напругою, з областей витоку і стоку, а також з кристала в канал будуть надходити електрони; провідність каналу при цьому збільшується, і струм стоку зростає. Цей режим називають режимом збагачення.

Стік–затворні характеристики (характеристики передачі) виходять з точки на осі абсцис, яка відповідає напрузі відсікання U_{ВС відс}, тобто напрузі між затвором та витоком МДН-транзистора із вбудованим каналом, що працює в режимі збіднення, за якої струм стоку досягає заданого низького значення.

Таким чином, транзистор з вбудованим каналом може працювати як у режимі збіднення, так і в режимі збагачення. Це наочно показують його вихідні (стокові) характеристики, зображені на рис.4,в.

У випадку, якщо напівпровідникова підкладка має електропровідність n-типу, канал буде р-типу, і полярність напруг необхідно змінити на протилежні.

Оскільки МДН-транзистори з вбудованим каналом можуть працювати як в режимі збіднення, так і в режимі збагачення, а транзистори з індукованим каналом лише в режимі збагачення, то перші називають транзисторами збідненого типу, а другі – збагаченого.

Польові транзистори характеризуються такими основними параметрами:

S  крутість, яка характеризує керувальні властивості затвору; значення крутості складає декілька міліамперів на вольт (мА/В);

r_вих  вихідний опір  це опір між стоком і витком для змінного струму; значення r_вих досягає сотень кілоом;

І_{С макс}  максимальний струм стоку при U_ЗВ=0 для ПТ з керувальним р-п-переходом;

U_відс  напруга відсікання – напруга, за якої струм стоку дорівнює нулю для ПТ з керувальним р-п-переходом або МДН-транзисторів з вбудованим каналом;

U_пор  порогова напруга – напруга, за якої з’являється струм стоку для МДН-транзисторів з індукованим каналом;

С_ЗВ  вхідна ємність, ємність між затвором і витоком; складає одиниці пФ;

С_ЗС  прохідна ємність, це ємність між затвором і стоком; переважно є меншою від вхідної ємності;

С_ВС  вихідна ємність, це ємність між витоком і стоком; зазвичай має найменше значення;

І_З  струм втрат затвору.