Лабораторна робота Дослідження польових транзисторів

Мета роботи: Вивчення принципу роботи польових транзисторів. Експериментальне визначення їх характеристик та параметрів.

1. Основні теоретичні положення

Польовими транзисторами (ПТ) називають напівпровідникові прилади, виготовлені на основі напівпровідників одного типу електропровідності, керування струмом в яких здійснюють з допомогою електричного поля, прикладеного перпендикулярно до напряму протікання струму. Їх узагальнена структура подана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Узагальнена структура польового транзистора

(1-кристал напівпровідника n- або p-типу, 2-керуюче електричне поле)

Область транзистора, по якій протікає струм, тобто відбувається рух носіїв заряду, називають каналом. Виводи від протилежних боків каналу називають відповідно витоком (В) та стоком (С). Під витоком розуміють вивід, від якого розпочинається рух основних носіїв заряду по каналу. Стоком називають вивід, до якого рухаються основні носії заряду.

Керування струмом, який протікає по каналу, здійснюють з допомогою випрямляючих електричних переходів, утворених в каналі, або з допомогою структури метал-діелектрик-напівпровідник (МДН), утвореної на поверхні каналу. Вивід від випрямляючого переходу або від МДН-структури називають затвором (З).

Польові транзистори, в яких використовується перший спосіб керування струмом, називають польовими транзисторими з керуючим переходом. Польові транзистори, в яких використовується другий спосіб керування струмом, називають польовими транзисторами з ізольованим затвором або просто МДН-транзистори. А оскільки в МДН-структурі як діелектрик використовують окисел кремнію, утворений на поверхні каналу, то існує ще одна назва МДН-транзисторів - МОН-транзистори (абревіатура МОН означає словосполучення метал-окисел-напівпровідник).

Канал МДН-транзисторів може бути сформований під час виготовлення транзистора, або утворюватись (індукуватись) при прикладенні до затвору відповідної напруги. В зв’язку з цим МДН-транзистори поділяють на МДН-транзистори з вбудованим каналом та МДН-транзистори з індукованим каналом. Схемні позначення польових транзисторів подано в табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Схемні позначення польових транзисторів

Тип польового	Електропровідність каналу
транзистора	n-типу	p-типу
Польовий транзистор з керуючим pn-переходом
Польовий транзистор з вбудованим каналом
МДН-транзистор з індукованим каналом
Примітка: буквою П позначають вивід від підкладки транзистора

Польовий транзистор з керуючим переходом. В польових транзисторах з керуючим переходом роль керуючого переходу може виконувати звичайний pn-перехід, гетероперехід або бар’єр Шоткі. Найбільш поширеними є польові транзистори із звичайним керуючим pn-переходом (рис. 3.2), сформовані на основі кремнію.

Рис. 3.2. Структура польового транзистора з керуючим pn-переходом

та каналом n-типу

Робочим режимом польового транзистора з керуючими pn-переходом є такий режим, при якому керуючий pn-перехід зміщений у зворотному напрямі, тобто коли між затвором і витоком подається напруга, яка є зворотною для pn-переходу. Принцип дії транзистора полягає в тому, що внаслідок зміни зворотної напруги на pn-переході, змінюється ширина pn-переходу та, відповідно, каналу, а також значення струму, який протікає по ньому. Зокрема, при збільшенні зворотної напруги pn-переходу поперечний переріз каналу, його електропровідність та значення струму будуть зменшуватися, а при зменшенні зворотної напруги - навпаки, зростатимуть. Напруга між затвором і витоком, при якій транзистор закривається і його струм I_С стає близьким до нуля, називають напругою відтину U_{ЗВ відт}.

Залежність струму транзистора I_С від напруги U_ЗВ, прикладеної між затво-ром і витоком, при деякій заданій напрузі U_СВ =const називають передавальною або стоко-затворною статичною вольт-амперною характеристикою польового транзистора. Її типовий вигляд зображено на рис. 3.3,а.

Залежності струму стоку I_С від напруги U_СВ, прикладеної між стоком і витоком, які знімають при різних значеннях напруги U_ЗВ, змінюючи її від нуля до U_{ЗВ відт}., мають типовий вигляд, зображений на рис. 3.3,б. Ці залежності називають статичними вихідними або стоковими вольт-амперними характеристиками.

Рис. 3.3. Стоко-затворна (а) і стокові (б) статичні вольт-амперні характеристики польового транзистора з керуючим pn-переходом

і каналом n-типу

На підставі цих характеристик бачимо, що струм I_С з ростом напруги U_СВ спочатку доволі швидко зростає, а відтак його наростання майже зовсім припиняється, тобто наступає явище, яке називають насиченням. Це пояснюється тим, що при наявності напруги U_СВ зворотна напруга на керуючому pn-переході (яка біля витоку дорівнює напрузі U_ЗВ) в бік стоку за абсолютною величиною збільшується і сягає значення U_ЗВ+U_СВ, внаслідок чого pn-перехід в бік стоку розширюється, а канал - звужується. При малих напругах U_СВ транзистор веде себе подібно до резистора: збільшення напруги U_СВ викликає майже лінійне наростання струму I_С і навпаки.

При збільшенні напруги U_СВ канал в області стоку настільки звузиться, що зростання струму I_С із збільшенням напруги U_СВ майже припиняєься - наступає насичення. Напруга U_СВ, при якій збільшення струму I_С майже припиняється, називають напругою насичення U_{СВ нас}. Струм I_С, який відповідає напрузі насичення, називають початковим струмом стоку і позначають I_{С поч}. Зауважимо, що значення I_{С поч} та U_{СВ нас} залежать від напруги U_ЗВ. В довідниках подають їх значення, виміряні при U_ЗВ=0.

При великих напругах U_СВ в транзисторі може виникнути електричне пробиття, зокрема пробиття керуючого pn-переходу біля стоку. Значення напруги U_СВ, при якій відбувається пробиття, залежить від напруги U_ЗВ, оскільки зворотна напруга на керуючому pn-переході біля стоку дорівнює U_ЗВ+U_СВ. Отже, чим більше значення напруги U_ЗВ, тим при меншій напрузі U_СВ наступить пробиття.

Зміщення вихідних ВАХ транзистора вниз із збільшенням напруги U_ЗВ, пояснюється тим, що керуючий pn-перехід розширюється (поперечний переріз каналу звужується), що приводить до зменшення струму, який протікає через транзистор.

МДН-транзистори з вбудованим каналом. МДН-транзистори з вбудованим каналом виготовляють в кристалі високоомного напівпровідника (n- або p-типу) товщиною 150÷200 мкм, який називають підкладкою. В підкладці (наприклад, p-типу) дифузією донорних домішок утворюють дві локальні області n^ з підвищеною концентраціею домішок (рис. 3.4), які служитимуть витоком і стоком. Відстань між цими областями 5÷50 мкм. Між областями витоку і стоку формують тонкий (2÷4 нм) приповерхневий шар такого ж типу електропровідності, як локальні області, який служитиме каналом. На поверхні каналу утворюють діелектричну плівку з двоокису кремнію (SiO₂), товщиною 0,8÷2 мкм. Зверху на діелектрик навпроти каналу наносять металевий шар товщиною 5÷7 мкм, який служитиме затвором. З допомогою таких же металевих шарів, нанесених безпосередньо на області n^, утворюють площадки, до яких приварюють виводи витоку і стоку. Знизу від підкладки також формують вивід (П). Таким чином формується МДН-транзистор з вбудованим n-каналом на підкладці p-типу (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Структура МДН-транзистора з вбудованим n-каналом

Ізоляція транзистора від підкладки здійснюється з допомогою зворотнозміщеного pn-переходу, утвореного між структурою транзистора та підкладкою. Для цього на вивід підкладки подають напругу відповідної полярності, або з’єднують його з витоком. Подібним способом формують МДН-транзистори з вбудованим каналом на підкладці n-типу. В цьому випадку канал транзистора матиме електропровідність p-типу.

При прикладенні між стоком і витоком деякої напруги U_СВ по каналу МДН-транзистора, подібно як і в польовому транзисторі з керуючим pn-переходом, потече cтрум. Керування струмом здійснюється напругою U_ЗВ, яку подають між затвором і витоком. При додатній напрузі на затворі відносно витоку U_ЗВ електричне поле, утворене цією напругою, втягує з підкладки в канал додаткові електрони, збагачуючи його основними носіями заряду, і струм в каналі зростає. При від’ємній напрузі на затворі U_ЗВ електричне поле, виштовхує електрони з каналу в підкладку, збіднюючи канал основними носіями заряду, в результаті чого струм I_С зменшується. При достатно великій додатній напрузі на затворі U_ЗВ концентрація електронів в каналі стає настільки малою, що струм I_С прямує до нуля. Таку напругу затвору називають напругою відтину і позначають U_{ЗВ відт}. Отже, змінюючи напругу U_ЗВ, можна змінювати провідність каналу та, відповідно, струм, що протікає по ньому. Зауважимо, що в МДН-транзисторах з вбудованим каналом змінюється не поперечний переріз каналу, а концентрація основних носіїв заряду в ньому і для керування струмом можна подавати на затвор як додатну так і від’ємну напругу.

Залежність струму стоку I_С від напруги U_ЗВ для деякого фіксованого зна-чення U_СВ=const називають передавальною або стоко-затворною харак--теристикою, як у випадку польового транзистора з керуючим pn-переходом. Типовий вигляд цієї характеристики поданий на рис. 3.5,а.

Вихідні (стокові) ВАХ МДН-транзистора з вбудованим каналом мають типовий вигляд, зображений на рис. 3.5,б, звідки бачимо, що ці характеристики подібні до вихідних ВАХ польового транзистора з керуючим pn-переходом. Проте вони існують як при додатній так і при від’ємній напругах на затворі.

Рис. 3.5. Стоко-затворна (а) та стокові (б) статичні ВАХ

МДН-транзистора з вбудованим n-каналом

Зміщення вихідних характеристик вверх з ростом додатньої напруги U_ЗВ пояснюється тим, що при тому канал збагачується основними носіями заряду (електронами), а зміщення характеристик вниз з ростом від’ємної напруги U_ЗВ відбувається внаслідок збіднення каналу основними носіями заряду.

З ростом напруги між стоком і витоком U_СВ ізолюючий pn-перехід в напрямі стоку розширюється, а канал відповідно звужується. Це пов’язано з тим, що зворотна напруга ізолюючого pn-переходу вздовж каналу зростає і біля стоку сягає значення U_СВ. При малих напругах U_СВ ширина ізолюючого pn-переходу та, відповідно, поперечний переріз каналу змінюються мало, тому вихідні характеристики майже лінійні. При більших напругах U_СВ канал біля стоку починає звужуватись і при деякій напрузі U_СВ, яку називають напругою насичення, ріст струму I_С майже припиняється і, подібно до польового транзистора з керуючим pn-переходом, наступає насичення.

У випадку, коли між стоком і витоком прикласти надто велику напругу, може виникнути пробиття ізолюючого pn-переходу під стоком або пробиття діелектрика під затвором.

Пробиття ізолюючого pn-переходу, як правило, має електричний (лавиноподібний) характер. Пробиття діелектрика під затвором має тепловий характер і може виникати навіть при невеликих напругах на затворі, оскільки товщина діелектрика (SiO₂) становить біля 0,1 мкм. Для недопущення такого виду пробиття вхід МДН-транзистора часто захищають стабілітроном, який обмежує напругу на затворі.

МДН-транзистори з індукованим каналом. Цей транзистор відрізняється від попереднього тим, що канал між областями витоку і стоку під час виготовлення не створюється. Для прикладу на рис. 3.6 подана структура МДН-транзистора з індукованим n-каналом, виконаного на підкладці p-типу.

Рис. 3.6.Структура МДН-транзистора з індукованим каналом n-типу

При прикладенні до такого транзистора напруги між стоком і витоком струм стоку при нульовій напрузі між затвором та витоком буде дуже малий (дорівнюватиме зворотному струмові ізолюючого pn-переходу, утвореного між областю стока і підкладкою). Подання на затворі від’ємної напруги для даного типу транзистора також картини не змінить.

При поданні на затвор невеликої додатної напруги електричне поле, яке виникає під затвором, виштовхує дірки з приповерхневого шару в глибину підкладки і притягує електрони до поверхні. Внаслідок цього біля поверхні підкладки під затвором виникає шар з електронною провідністю, який і буде каналом між витоком і стоком. Нижче каналу утворюється шар від’ємних нерухомих зарядів з іонізованих атомів акцепторних домішок підкладки, збіднений на носії заряду, який стає свого роду ізолятором між каналом і підкладкою.

Напруга між затвором і витоком, при якій електропровідність приповерхневого шару підкладки стає електронною, тобто при якій утворюється канал, називають пороговою напругою і позначають U_{ЗВ пор}.

При прикладенні між стоком і витоком деякої додатної напруги по утвореному каналу розпочнеться рух основних носіїв заряду (електронів) від витоку до стоку, тобто потече електричний струм. Значення струму при цьому буде тим більшим чим більша додатня напруга, прикладена між затвором і витоком, бо з ростом додатної напруги на затворі зростає концентрація електронів в каналі і, відповідно, зростає електропровідність каналу. Залежність струму стоку I_С від напруги затвор-витік U_ЗВ, яку називають стоко-затворною статичною ВАХ МДН-транзистора з індукованим каналом. Вона має типовий вигляд, поданий на рис. 3.7,а.

Рис. 3.7. Стоко-затворні (а) та стокові (б) статичні ВАХ МДН-транзистора

з індукованим каналом n-типу

Залежності струму стоку I_С від напруги U_СВ, прикладеної між стоком і ви-током, при різних значеннях напруги U_ЗВ подано на рис. 3.7,б. Ці залежності подібні до стокових ВАХ МДН-транзистора з вбудованим каналом, але вони існують лише при додатних напругах U_ЗВ, більших від U_{ЗВ пор}. Нелінійність цих залежностей пояснюється тим, що з ростом напруги U_СВ ізолюючий шар від’ємних іонів, який формується під каналом, в напрямі стоку розширюється, а канал відповідно звужується, внаслідок чого наступає режим насичення, як і у польових транзисторів з керуючим pn-переходом чи з вбудованим каналом. При прикладенні між стоком і витоком надто великої напруги U_СВ може виникнути пробиття ізолюючого pn-переходу в області стоку та виходу транзистора з ладу.

Моделі та параметри польових транзисторів. При аналізі електронних схем використовують моделі (еквівалентні електричні схеми) польових транзисторів, сформовані з ідеальних компонентів - резисторів, конденсаторів, керованих джерел струму або напруги.

Спрощена еквівалентна схема польового транзистора, зокрема з n-каналом, яка відображає його нелінійні та частотні властивості, подана на рис. 3.8, де кероване джерело струму I_С=f(U_зв,U_CВ) моделює статичні ВАХ транзистора. Оскільки струм затвора практично дорівнює нулеві (І_З10^-810^-9А), то в моделі не враховано резистивного опору між затвором і витоком (R_ЗВ). Міжелектродні ємності С_ЗВ, С_ЗС, С_СБ - це відповідно ємності затвор-витік, затвор-стік та стік-витік, які визначають частотні властивості транзистора. Строго кажучи, ці ємності є нелінійними, зокрема, у випадку польового транзистора з керуючим рn-переходом С_ЗВ та С_ЗС - це бер’єрні ємності керуючого переходу в області витоку та стоку.

При роботі транзистора в статичному режимі та в області низьких частот впливом міжелектродних ємностей нехтують і тоді модель транзистора редставляє собою лише кероване джерело струму J_C.

Рис. 3.8. Еквівалентна схема польового транзистора з n-каналом

При аналізі роботи транзистора у малосигнальному режимі, коли на його зовнішних виводах діють, крім постійних напруг, ще й невеликі змінні у часі напруги і струми u та і, використовують так звану лінеаризовану (малосигнальну) еквівалентну схему (рис. 3.9), яку отримують із еквівалентної схеми рис. 3.8, визначаючи диференціальні параметри транзистора у заданій робочій точці.

Рис. 3.9. Лінеаризована (малосигнальна) еквівалентна схема

польового транзистора

В лінеаризованій еквівалентній схемі міжелектродні ємності вважають лінійними, їх значення дорівнюють значенням відповідних диференціальних ємностей у робочій точці, яка визначається значеннями постійних напруг U_ЗВ0, U_CВ0.

Параметри малосигнальної еквівалентної схеми, а саме s - крутість стоко-затворної характеристики транзистора в заданій робочій точці та r_i - вихідний диференціальний опір транзистора, який характеризує нахил стокових ВАХ, визначають так:

s= dI_С/dU_ЗВ при U_ЗВ0, U_CВ0; (3.1)

r_i= dU_СВ/dI_С при U_ЗВ0, U_CВ0. (3.2)

Підсилювальні властивості транзистора у малосигнальному режимі характеризують, крім крутості s, також ще коефіцієнтом , який називають коефіцієнтом підсилення напруги:

=dU_СВ/dU_ЗВ при І_С=сonst. (3.3)

Значення коефіцієнта  можна виразити через параметри s та r_i:

=sr_i. (3.4)

Орієнтовні значення параметрів лінеаризованих заступних схем є такими:

а) для польових транзисторів з керуючим рn-переходом:

С_ЗВС_СВ 6 20 пФ; С_ЗС28 пФ;

s0,3 7 мА/В4 r_i0,02 0,5 мОм;

б) для МДН-транзисторів:

С_ЗВС_СВ10 пФ; С_ЗС2 пФ;

s та r_i приблизно такі ж, як і у транзисторів з керуючим рn-переходом.

Малосигнальна еквівалентна схема транзистора є лінійним триполюсником (рис.3.9), для якого справедливі такі співвідношення між струмами та напругами на його зовнішних виводах:

i_З+i_С+i_В=0 (3.5)

u_СЗ+u_ЗВ =u_СВ (3.6)

Як відомо, режим роботи лінійного триполюсника повністю визначають дві незалежні напруги між його зовнішними виводами та два незалежні струми його зовнішних виводів. Вибравши в якості незалежних напруг та струмів відповідно U_ЗВ, U_СВ, і_З, і_с, можна записати рівняння транзистора у вигляді:

i_З=g_ЗЗu_ЗВ+g_ЗСu_СВ; (3.7)

і_С=g_СЗu_ЗВ+g_ССu_СВ; (3.8)

де g_ЗЗ, g_ЗС, g_СЗ, g_СС - диференціальні провідності, значення яких визначають в заданій робочій точці транзистора.

Зауважимо, що при роботі транзистора в області низьких частот, коли впливом міжелектродних ємностей можна знехтувати, диференціальні провідності набувають таких значень:

g_ЗЗ=g_ЗС=0: g_СЗ=S; g_СС=1/r_i. (3.13)

Отже, на підставі викладеного, приходимо до висновку, що узагальненою характеристикою польового транзистора у малосигнальному (лінійному) режимі роботи є матриця диференціальних провідностей, яку записують у вигляді:

(3.14)

У випадку, коли польові транзистори виготовлені на підкладці, в еквівалентній схемі враховують pn-перехід між струкутрою транзистора та підкладкою, який зміщений у зворотньому напрямі, у вигляді бар’єрних ємностей в областях витоку та стоку (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Еквівалентна схема польового транзистора, сформованого на підкладці