МНЭ / мнэ лабы / лр№1 / 1лр

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Микро - и наноэлектроника»

Тема: Полевой МДП - транзистор

Студенты 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 - МДПструктура). 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_d.

Рис. 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_C >U_C.нас) 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_С. На рисунке 2 схематично показаны сечения транзистора, иллюстрирующие влияние напряжения смещения на конфигурацию канала и обедненной области.

Рис.2. Влияние напряжений на контактах МДПТ на форму канала и обедненной области

Экспериментальная установка.

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_С - напряжение на стоке; U_З - напряжение на затворе; d - толщина подзатворного слоя диэлектрика; N_d - 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.

Рис.3. Имитационная модель МДПТ

Обработка результатов эксперимента.

1. Исследование ВАХ МДПТ при изменении напряжения на затворе.

Рис. 4. ВАХ МДПТ при различных напряжениях на затворе.

Рис. 5. ВАХ МДПТ при Uз=2,1В

При изменении U_З увеличивается глубина инверсной области, т.к. в канал n+ притягивается больше электронов, и I_с повышается.

I_с перестает возрастать при увеличении U_с, из–за насыщения, канал перекрывается.

Пологие участки характеристик связаны с уменьшением толщины канала около стока. Насыщение I_с при фиксированном U_з связано с сужением проводящего канала со стороны стока и с сокращением его длины при увеличении U_с. При увеличении U_з размер канала увеличивается, пологий участок сдвигается к большим значениям U_c. Потому, что для перекрытия более широкого канала необходимо приложить большую разность потенциалов сток-затвор.

2. Исследование влияние увеличения толщины подзатворного слоя на ВАХ МДПТ

Рис. 6. ВАХ МДПТ при разной толщине подзатворного слоя.

Рис. 7. ВАХ МДПТ при d=3,21 мкм

При увеличении толщины подзатворного слоя h, ток стока I_с падает при одинаковых значениях напряжений стока U_с , режим насыщения наступает позже. Напряжение насыщения U_нас смещается влево при уменьшении h

При увеличении подзатворного слоя h, его емкость будет уменьшаться, как следствие, будет большее падение напряжения, а пороговое напряжение U_пор увеличится, из-за этого будет снижаться ток стока I_C и напряжение насыщения U_НАС.

3. Исследование ВАХ МДПТ при изменении концентрации примеси в активном слое.

Рис. 8. ВАХ МДПТ при различной концентрации примесей в активном слое.

При увеличении концентрации примесей n_a в активном слое ток стока I_с заметно падает, при одинаковых значениях напряжения U_с. Если увеличивать концентрацию примесей, то будет расти потенциал уровня Ферми , увеличивается удельный заряд обедненной области Q_об, это, в свою очередь, приведет к увеличению порогового напряжения U_ПОР, а как следствие к уменьшению тока стока I_с и падению напряжения насыщения U_НАС.

4. Исследование изменения глубины инверсного слоя при увеличении напряжения на затворе

Разными цветами указана обедненная область:

1–салатовый– Uз=2,1 В

2–фиолетовый– Uз=4,06 В

3–серый– Uз=6,07 В

Рис. 9. Изменение глубины инверсного слоя при увеличении напряжения на затворе

При увеличении напряжения на затворе U_з, величина объёмного заряда, т.е. глубина обедненного слоя возрастает, потому что, электрон, приложенный к затвору, будет индуцировать дырку в полупроводнике. Канал становится шире, так как увеличивается напряженность электрического поля, из-за которого к каналу притягиваются электроны, а дырки движутся к подложке.

5. Исследование изменения глубины инверсного слоя при увеличении напряжения на стоке.

Рис. 10. Изменение глубины инверсного слоя при увеличении напряжения на стоке

Разными цветами указана обедненная область:

1–голубой-Uc=10В

2–черный-Uc=6B,

3–серый-Uc=4,2В

При постоянных значениях напряжений на истоке и затворе, увеличивается напряжения на стоке U_с, толщина канала около стока уменьшается, ток стока увеличивается, а поперечное сечение канала около стока уменьшается.

6. Подбор конструктивных характеристик МДПТ таким образом, чтобы I_C.нас = 0,125 А, U_C.нас = 3,5 В.

Рис. 11. Иммитационная модель МДПТ

Подобранные параметры равны:

I_C.нас = 0,125 А

U_C.нас = 3,4 В

U_З = 4,34В

U_C = 10В

d = 2,65мкм

n_a = 3,8*10¹⁷cм^–3

Вывод: в лабораторной работе были изучены ВАХ МДПТ и виляние подаваемых напряжений и конструкции транзистора на них.

Чем больше значение напряжения на затворе, тем больше ток стока, напряжение насыщения и толщина канала в стоковой части, глубина обедненного слоя возрастает

Чем меньше значение напряжения на стоке, при постоянных значениях напряжений на истоке и затворе, тем больше толщина канала в стоковой части, из–за увеличения ширины обедненной области p-n перехода, которая прижимает канал.

Чем больше толщина подзатворного слоя, или концентрация примесей в активном слое, тем меньше ток стока и напряжение насыщения, а пороговое напряжение, наоборот увеличивается.