Лабы Тупицын / 3 Лаба / ТТЛ_3 лаба

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РТЭ

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Твердотельная электроника»

Тема: Исследование полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Студент гр. 0207 _________________ Маликов Б.И.

Преподаватель _________________ Тупицын А.Д.

Санкт-Петербург

2023

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является исследование характеристик кремниевого полевого транзистора с p–n-переходом и определение его физико-топологических параметров.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Полевые транзисторы широко используются при создании усилителей, переключателей и других устройств, как в дискретном, так и в интегральном исполнениях.

В зависимости от особенностей физических принципов действия, конструкции, полупроводникового материала полевые транзисторы делятся на многочисленные типы, одним из которых является полевой транзистор с р–n-переходом в качестве затвора.

Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом (рис. 1) представляет собой эпитаксиальную пленку n-типа толщиной a и шириной Z, выращенную на полуизолирущей подложке. Два электрода – исток и сток, между которыми прикладывается напряжение стока , выполняются в виде омических контактов. Третий электрод – затвор длиной L – представляет собой p⁺–n-переход, формирующий в канале полевого транзистора область пространственного заряда (ОПЗ) толщиной h, обедненную подвижными носителями заряда. Таким образом, изменение напряжения на затворе приводит к изменению площади поперечного сечения канала (так как ОПЗ расширяется или сужается), а следовательно, и тока стока , протекающего в подзатворной области.

В общем случае расчет вольт-амперных характеристик полевого транзистора представляет собой весьма сложную задачу, так как требует учета многих факторов: двумерного характера электрического поля, сложной зависимости скорости электронов от напряженности электрического поля (особенно в короткоканальных транзисторах), отсутствия резкого края проводящего канала как со стороны ОПЗ, так и со стороны подложки. Очевидно, что такой анализ возможен только в рамках численной модели.

Рис. 1 – Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом

На рис. 2 представлены вольт-амперные характеристики. Здесь выделены две области: область 1 – линейная и область 2 –насыщения. Ток – ток насыщения – максимальный ток при данном напряжении на затворе; – напряжение стока, соответствующее началу насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения ток считается постоянным и равным .

Рис. 2 – ВАХ полевого транзистора

ТИПЫ И ПАРАМЕТРЫ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Табл. 1

Технические параметры полевого транзистора КП103

Параметр	Значение
UСИmax, В	10
UЗИотс, В	0,4…1,5
UЗСmax , В	15
IСнач, мА	0,3…2,5
S, мА/В	0,4…2,4
Pmax, мВт	7
Tmax,	85

СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Рис. 3 – Схема измерительной установки

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Выходные характеристики полевого транзистора:

Табл. 2

Выходные характеристики при U_ЗИ = 0

IС, мА	0	-0,6	-0,8	-0,9	-1,1	-1,2
UСИ, В	0	-0,5	-0,8	-1,4	-3	-5

Табл. 3

Выходные характеристики при U_ЗИ = 0,4 В

IС, мА	0	-0,2	-0,3	-0,4	-0,48	-0,54
UСИ, В	0	-0,4	-0,6	-1	-2	-5

Табл. 4

Выходные характеристики при U_ЗИ = 0,8 В

IС, мА	0	-0,04	-0,08	-0,09	-0,1	-0,12
UСИ, В	0	-0,1	-0,25	-0,5	-2,5	-5

Рис. 4 – График выходных характеристики полевого транзистора

Таким образом, опираясь на график выходных характеристик полевого транзистора (рис. 4), делаем вывод, что U_СИнас = 0,9 В.

2. Передаточные характеристики полевого транзистора:

Табл. 5

Передаточные характеристики при U_СИ = U_СИнас = -0,9 В

IС, мА	-1	-0,76	-0,52	-0,36	-0,16
UЗИ, В	0	0,2	0,4	0,6	0,8

Табл. 6

Передаточные характеристики при U_СИ = -5 В

IС, мА	-1,28	-0,88	-0,64	-0,4	-0,2
UЗИ, В	0	0,2	0,4	0,6	0,8

Рис. 5 – График передаточных характеристик полевого транзистора

Проводя экстраполяцию графика передаточных характеристик полевого транзистора (рис. 5), получаем значение порогового напряжения затвора U_ЗИотс = 0,94 В.

РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ

1. Проводимость канала:

1.1 Проводимость канала при U_ЗИ = 0:

g_СИ1 = = = 1,2 10^-3 См

1.2 Проводимость канала при U_ЗИ = 0,4 В

g_СИ2 = = = 0,5 10^-3 См

2. Диффузионный потенциал и напряжение полного перекрытия канала:

Используя уравнение:

Определим значение диффузионного потенциала графически:

Рис. 6 – График зависимости F( ) и F( )

Таким образом, значение диффузионного потенциала:

= = 0,41 В

Напряжение полного перекрытия канала:

U₀ = U_ЗИотс + = 0,94 + 0,41 = 1,35 В

3. Концентрация акцепторов:

N_A = = = 1,81 10⁸ см^-3

4. Толщина пленки:

a = = = 1,33 10^-6 см = 13,3

5. Длина канала:

L = = = 2,17 10^-3 см = 21,7 мкм

6. Ширина пленки:

Z = = = 2,44 10^-3 см = 24,4 мкм

ВЫВОД

В ходе данной лабораторной работы, были получены экспериментальные данные, на основании которых можно сделать следующие выводы:

Анализируя график выходных характеристики полевого транзистора (рис. 4), делаем вывод, что напряжение насыщения полевого транзистора равняется U_СИнас = 0,9 В.

Также, анализируя график передаточных характеристик полевого транзистора (рис. 5), экстраполируя графики до пересечения с осью абсцисс, делаем вывод, что значение порогового напряжения затвора равняется U_ЗИотс = 0,94 В.

И, анализируя график зависимости F( ) (рис. 6), делаем вывод, что значение значение диффузионного потенциала равно 0,41 В.