Лабы Михайлов / 2 Лаба / Лаба 2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

отчет

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Микро- и наноэлектроника»

Тема: Полевой МДП-транзистор

Студенты гр. 0207 _________________ Маликов Б.И.

_________________ Горбунова А.Н.

Преподаватель _________________ Михайлов Н.И.

Санкт-Петербург

2023

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 Na.

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; Na — 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 ИЗМЕРЕНИЙ

1. Исследование изменения ВАХ МДПТ при увеличении напряжения на затворе при фиксированных параметрах: N_А = 4.9 ∙ 10¹⁷ см^-3, U_С = 10 В, d = 2.06 мкм.

Рисунок 4 – ВАХ МДПТ при разных значениях напряжения на затворе

На рис.4 заметно увеличение тока при увеличении напряжения на затворе. Если к затвору приложено положительное напряжение, то электрическое поле затвора притягивает электроны из объема к поверхности, вытесняя дырки в объем. Поверхность обогащается неосновными носителями заряда (электронами) и появляется поверхностный слой инверсной проводимости (индуцированный n-канал).

Таким образом, при увеличении напряжения на затворе канал становится шире, следовательно, проводит больший ток.

2. Исследование влияния толщины подзатворного слоя на ВАХ МДПТ при фиксированных параметрах: N_А = 4.9 ∙ 10¹⁷ см^-3, U_С = 10 В, U_З = 5 В.

Рисунок 5 – ВАХ МДПТ при различных значениях толщины подзатворного слоя

Исходя из рис.5 при увеличении толщины подзатворного слоя, ток уменьшается. Ток определяется следующей формулой:

где удельная емкость диэлектрика определяется как . Следовательно, при увеличении толщины подзатворного слоя емкость уменьшается, диэлектрик накапливает меньший заряд и это приводит к уменьшению индуцированного канала и, как следствие, тока.

3. Исследование изменения ВАХ МДПТ при изменении концентрации примеси в активном слое при фиксированных значениях: U_С = 10 В, U_З = 5 В, d = 2.06 мкм.

Рисунок 6 – ВАХ МДПТ при различных значения концентрации примеси в активном слое

Из рис.6 видно, что при увеличении концентрации примеси в активном слое ток уменьшается. Это связано с тем, что при увеличении концентрации примеси увеличивается заряд обедненной области, следовательно, увеличивается пороговое напряжение и это приводит к уменьшению тока стока.

4. Исследование изменения глубины инверсного слоя при увеличении напряжения затвор-исток при фиксированных значениях: N_А = 4.9 ∙ 10¹⁷ см^-3, U_И = 5.87 В, d = 2.06 мкм.

4 В

6 В

5 В

Рисунок 7 – Поперечное сечение подзатворной области МДП-транзистора при различных напряжения на затворе

Исходя из рис.7 при увеличении напряжения на затворе увеличивается ширина канала. Это связано с тем, что увеличивается поле, создаваемое напряжением на затворе и, следовательно, оно начинает сильнее притягивать электроны и ширина канала увеличивается.

5. Исследование напряжений для увеличения глубины инверсного слоя в стоковой части затвора при сохранении глубины инверсного слоя в ее стоковой части при фиксированных значениях: N_А = 4.9 ∙ 10¹⁷ см^-3, U_З = 5 В, d = 2.06 мкм.

8.5 В

6.5 В

4 В

Рисунок 8 – Поперечное сечение подзатворной области МДП-транзистора при различных значениях напряжения затвор-сток

Из рис.8 видно, что глубина инверсного слоя не изменяется под истоком при изменении напряжения на стоке, так как этот электрод был заземлен.

При увеличении напряжения на стоке при прочих неизменных параметрах толщина инверсного слоя на стоке уменьшается. Это связано с тем, что при увеличении напряжения также увеличивается обедненная область p-n перехода.

6. Подбор конструктивных характеристик ПТШ и U_З таким образом, чтобы I_D.sat = 125 мА, U_D.sat = 3.5 В. Подобранные параметры: N_a = 4.27 ∙ 10¹⁷ см^-3, d = 1.76 мкм, U_и = 5.64 В, U_з = 3.56 В.

Рисунок 9 – ВАХ МДПТ при I_D.sat = 125 мА, U_D.sat = 3.5 В

ВЫВОД

В лабораторной работе исследовался МДП-транзистор с индуцированным каналом, также произведен анализ основных зависимостей, описывающих процессы, протекающие в нем.

На основании п.1 сделан вывод, что при увеличении напряжения на затворе увеличивается ток стока. В п.2 рассматривалось, что при увеличении толщины подзатворного слоя, ток уменьшается. В п.3 при увеличении концентрации примеси в активном слое ток уменьшается. В п.4 при увеличении напряжения на затворе увеличивается ширина канала. В п.5 при увеличении напряжения на стоке при прочих неизменных параметрах толщина инверсного слоя на стоке уменьшается.

В п.6 был произведен подбор параметров по заданным характеристикам.