МНЭ / мнэ лабы / лр№1 / 1 лр посл версия

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1

по дисциплине «МНЭ»

Тема: Полевой МДПТ

Студент гр.
Преподаватель		Кондрашов А.В.

Санкт-Петербург

Цель работы

Приобретение практических навыков качественного анализа основных функциональных зависимостей, описывающих физические процессы, протекающие в полевом МДП транзисторе.

Основные теоретические положения

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 рисунке 1. Основными параметрами транзистора являются: длина канала L, ширина канала Z, толщина подзатворного диэлектрика d, уровень легирования подложки N_a.

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 обратно смещенного перехода. При подаче 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 рисунке 2 схематично показаны сечения транзистора, иллюстрирующие влияние напряжения смещения на конфигурацию канала и обедненной области.

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

Модель экспериментальной установки

Имитационная модель МДПТ, созданная средствами комплекса LabVIEW, реализует приведенную выше математическую модель.

Виртуальная установка (рисунок 3) позволяет отслеживать влияние на ВАХ МДПТ следующих входных параметров: U_d — напряжение на стоке; U_g — напряжение на затворе; d — толщина подзатворного слоя диэлектрика; N_a — 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.

Входные параметры могут быть изменены путем ввода их численных значений с клавиатуры (при этом курсор должен быть установлен в поле цифрового индикатора изменяемого параметра) или с помощью мыши: курсор устанавливается на какой-либо элемент конструкции или на элемент управления (например, на край затвора, на движок, регулирующий уровень легирования, на стрелку прибора), а затем уровень легирования или напряжение изменяют, перемещая курсор в нужном направлении при зажатой левой кнопке мыши.

Рисунок 3 – Имитационная модель МДПТ

Обработка результатов эксперимента

1. Исследование изменения ВАХ МДПТ при увеличении напряжения на затворе.

Рисунок 4 – ВАХ МДПТ при разных напряжениях на затворе

На выше представленных ВАХ мы можем заметить рост тока при увеличении напряжения на затворе. Это связано с тем, что с ростом напряжения на затворе увеличивается ширина канала, что приводит к росту тока. Также при увеличении напряжения затвора U_d.sat становится больше, поскольку ширина канала увеличивается и, следовательно, чтобы произошло перекрытие канала нужно подать большее напряжение на стоке.

2. Исследование влияния увеличения толщины подзатворного слоя на ВАХ МДПТ.

Рисунок 5 – ВАХ МДПТ при разной толщине подзатворного слоя

Зависимость для участка до насыщения описывается формулой:

где – подвижность носителей, - удельная емкость диэлектрика, - пороговое напряжение.

Зависимость для участка в области насыщения описывается формулой:

C ростом толщины диэлектрического слоя уменьшается емкость диэлектрика. Это приводит к тому, что напряжение на диэлектрике растет, следовательно, увеличивается пороговое напряжение U_T. С увеличением U_T уменьшается U_d.sat, поскольку ширина канала уменьшается и, следовательно, чтобы произошло перекрытие канала нужно подать меньшее напряжение на стоке.

C ростом толщины диэлектрического слоя происходит уменьшение инверсионного слоя, так как с ростом толщины диэлектрического слоя поле, создаваемое напряжением на затворе, будет уменьшаться, следовательно, ток I_d будет меньше.

3. Исследование изменения ВАХ МДПТ при увеличении концентрации примеси в активном слое.

Рисунок 6 – ВАХ МДПТ при разной концентрации примеси в активном слое (N_a1=2*10¹⁷ см^-3, N_a2=3*10¹⁷ см^-3, N_a3=4*10¹⁷ см^-3)

С увеличением концентрации акцепторной примеси увеличивается заряд обедненной области, что приводит к увеличению порогового напряжения, следовательно, ток стока уменьшается.

Также с увеличением концентрации акцепторной примеси растет потенциал уровня Ферми.

Все это приводит к увеличению порогового напряжения U_T и также к уменьшению напряжения насыщения.

С ростом порогового напряжение U_T уменьшается ток стока.

4. Исследование изменения глубины инверсного слоя при увеличении напряжения затвор-исток.

Рисунок 7 – Поперечное сечение МДП-транзистора при различных напряжениях на затворе (желтым – 6.98 В, фиолетовым – 5 В, красным – 2.99 В)

Выше представленный рисунок исследовался при концентрации примеси N_a=5*10¹⁷ см^-3, напряжении стока U_d=10 B, толщине подзатворного слоя d= 2.06 мкм.

Из рисунка 7 следует, что при увеличении напряжения на затворе ширина канала увеличивается, т.к. поле, создаваемое напряжением на затворе, увеличивается (поле начинает сильнее «притягивать» электроны).

5. Исследование напряжений для увеличения глубины инверсного слоя в стоковой части затвора при сохранении глубины инверсного слоя в ее истоковой части.

Рисунок 8 – Поперечное сечение МДП-транзистора при различных

напряжениях затвор-сток (желтым – 3.5 В, фиолетовым – 4 В,

зеленым – 6 В, красным – 8 В)

Выше представленный рисунок исследовался при напряжении затвора U_g=3.99 B, концентрации примеси N_a=5*10¹⁷ см^-3, толщине подзатворного слоя d= 2.06 мкм.

Из рисунка 8 видно, что при увеличении напряжения на стоке толщина около канала уменьшается. Это происходит потому что, увеличивается обедненная область p-n перехода.

Глубина инверсного слоя в области истока не меняется, поскольку этот электрод был заземлен.

6. Подбор конструктивных характеристик МДПТ и U_g таким образом, чтобы I_d.sat = 125 мА, U_d.sat= 3.5 B.

Рисунок 9 – ВАХ МДПТ с I_d.sat = 125 мА, U_d.sat= 3.5 B.

Выше представленный рисунок был получен при напряжении затвора U_g=3.34 B, напряжении стока U_d=5.66 B, концентрации примеси N_a=4.3*10¹⁷ см^-3, толщине подзатворного слоя d= 1.62 мкм.

Рисунок 10 – ВАХ МДПТ с I_d.sat = 125 мА, U_d.sat= 3.5 B.

Вывод:

Из представленных выше зависимостей мы можем заметить рост тока при увеличении напряжения, подаваемого на сток. Это связано с тем, что при напряжениях на затворе больших U_g.T у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который является каналом n-типа, соединяющим исток со стоком. Поперечное сечение канала будет изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока.

При определенных значения напряжения происходит насыщение тока, так как происходит сужение канала со стороны стока.

Также изучили влияния параметров транзистора на его ВАХ.