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 транзистор с затвором Шоттки

Студенты гр. 0207 _________________ Маликов Б.И.

_________________ Горбунова А.Н.

Преподаватель _________________ Михайлов Н.И.

Санкт-Петербург

2023

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является приобретение практических навыков качественного анализа основных функциональных зависимостей, описывающих физические процессы, протекающие в полевом транзисторе с затвором Шоттки (ПТШ).

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор с тремя выводами: истоком, затвором и стоком. Ток, протекающий по проводящему каналу между затвором и истоком, управляется напряжением на затворе. Рассматриваемые полевые транзисторы с затвором в виде барьера Шоттки являются униполярными приборами. Перенос заряда осуществляется электронами (в n-канальных приборах) или дырками (в p-канальных приборах). Поперечное сечение ПТШ показано на рис. 1, где S — исток, G — затвор, D — сток, L — длина канала, А — толщина структуры, h — глубина канала, W — глубина обедненной области.

Рис. 1 - Поперечное сечение ПТШ

Анализ работы длинноканального (L>>А) ПТШ проводится при следующих приближениях: приближения плавного канала; приближение резкого края обедненной области; независимости подвижности носителей; однородности легирования по толщине пленки; равенстве нулю последовательных сопротивлений стока и истока.

В случае напряжения между истоком и стоком Uс ≠ 0 обедненная область расширяется от W₁ на истоковом конце затвора (рис.2) до W₂ на стоковом конце.

Рис. 2 - Обедненная область при U_С ≠ 0

Увеличение напряжение между стоком и истоком приводит к возрастанию тока канала, что соответствует линейной области ВАХ (рис.3 область 1). При возрастании Uc глубина канала под стоковым концом становится равной A, ток достигает максимального значения – тока насыщения. На ВАХ этому значению тока соответствует область насыщения (рис. 3 область 2).

Рис. 3 - ВАХ ПТШ U_З1 > U_З2 > U_З3

Канальные полевые транзисторы широко применяются в высокочастотных схемах в качестве усилителей. Характеристиками, определяющими работу ПТШ в высокочастотных схемах, являются: емкость перехода затвор-сток, граничная частота.

Экспериментальная установка

Имитационная модель ПТШ, созданная средствами комплекса LabVIEW, реализует приведенную выше математическую модель. Виртуальная установка (рис. 4) позволяет отслеживать влияние на ВАХ и крутизну ВАХ ПТШ напряжение на стоке при четырех последовательно заданных наборах следующих входных параметров: U_З — напряжение на затворе; L — длина затвора; N_d — уровень легирования канала; A — толщина активного (эпитаксиального) слоя. Лицевая панель включает изображения поперечного сечения ПТШ, элементы управления моделью (ввода входных параметров) и элементы отображения входных параметров в виде цифровых, стрелочных, шкальных индикаторов и экранов.

Рис. 4 - Экспериментальная установка

Обработка результатов измерений

1. Влияние напряжения затвора на вах и крутизну вах птш

1.1 Влияние напряжения затвора на вах птш

Исходные параметры: N_d = 5 10²³ м^-3; A = 0,16 мкм. Представим ВАХ ПТШ при трех различных значениях U_ЗИ:

Рис. 5 – Влияние напряжения затвора на ВАХ ПТШ

1.2 Влияние напряжения затвора на крутизну вах птш

Исходные параметры: N_d = 5 10²³ м^-3; A = 0,16 мкм. Представим крутизну ВАХ ПТШ при трех различных значениях U_ЗИ:

Рис. 6 – Влияние напряжения затвора на крутизну ВАХ ПТШ

Анализируя графики ВАХ ПТШ и крутизны ВАХ ПТШ, делаем следующий вывод: при увеличении отрицательного напряжения на затворе мы в значительной степени увеличиваем глубину обедненного слоя, соответственно, меньшее число электронов участвует в токопереносе. Как итог, на выходе получаем меньшее значение тока стока.

Также, на графике ВАХ ПТШ можем заметить два участка – начальный линейный участок и участок насыщения. Линейный участок – с ростом напряжения на стоке происходит рост тока. Однако, с ростом напряжения увеличивается и ширина обедненного слоя со стороны стока, как итог, происходит сужение канала и насыщение тока, то есть в дальнейшем не происходит увеличение значения тока при увеличении напряжения на стоке. Данный факт объясняется тем, что электроны в узкой области канала начинают сталкиваться друг с другом, вектор скорости отдельных электронов перестает быть сонаправлен с общим потоком, электроны начинают «мешать» друг другу.

Также, можем заметить, что при повышении отрицательного напряжения на затворе участок насыщения тока наступает при меньших значениях напряжения на стоке. Это явление объясняется также наличием обедненного слоя под затвором, который в случае больших отрицательных напряжений имеет большую ширину, и, как следствие, насыщение тока наступит при меньших напряжениях на стоке, так как обедненный слой изначально больше и для сужения канала необходимо меньшее напряжение.

И, анализируя график крутизны ВАХ ПТШ, делаем вывод, что в случае больших отрицательных напряжений на стоке имеем меньшую крутизну, так как управление током становится менее эффективным. Связано это с тем, что при увеличении отрицательного напряжения на затворе увеличивается глубина обедненной области, соответственно, уменьшается глубина канала, и, как следствие, меньшее количество электронов проходит через канал, эффективность управления током снижается.