Методы / Учебно пособие по лабораторным работам

Добавил:

MalikovB Адепт твердотельной электроники, последователь учений Михайлова Н.И. Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ"

Предмет:

Микро - и наноэлектроника

Файл:

– подвижность электронов в канале;

– удельная емкость

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

21.06.2024

Размер:

731.33 Кб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 42 3 4 > Следующая >>>

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		Диэлектрик		n-канал
интегральных схемах (ИС) получили				Исток	Затвор	Сток
транзисторы	с	индуцированным		n+		n+
каналом	(рис. 2.1).		Основными		L


параметрами транзистора являются:				p-подложка

длина канала L, ширина канала Z,				Металлический контакт

толщина подзатворного			диэлектрика	Рис. 2.1. Поперечное сечение МДПТ

d, уровень легирования подложки Na .

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 обратносмещенного перехода. При подачи 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 (UD UD.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 UD. На рис. 2.2 схематично показаны сечения транзистора, иллюстрирующие влияние напряжения смещения на конфигурацию канала и обедненной области. В приближении плавного канала, однородного легирования и при учете только дрейфовой составляющей тока, а также полагая подвижности независящей от напряженности электрического поля, ток стока ID можно определить как:

n i L

диэлектрика; UT – пороговое напряжение.

US 0,UG UP ,UD 0

US 0,UG UP,UD UD.sat

US 0,UG UP ,UD UD.sat

Рис. 2.2. Влияние напряжений на контактах МДПТ на форму канала и обедненной области

Приведенное ранее выражение описывает зависимость ID f UD для

участка до насыщения тока. При малых UD в линейной области

ID nCi L UG UT UD .

В области насыщения тока, когда UD UD.sat , ток определяется как:

ID.sat nCi Z UG UT 2 .

L 2

Крутизна ВАХ МДПТ вычисляется следующим образом:

– для линейной области:

gm dID nCi Z UD ; dUG L

– для области насыщения:

gm nCi L UG UT .

Во всех приведенных выше выражениях пороговое напряжение следует вычислять, используя уравнение

UT Ubi 2	0	QB	Qsurf	Usub ,


		Ci Ci

Usub

где

Ubi

q 0

– контактная разность

	kT		N
потенциалов металл затвора–полупроводник; 0		ln	a	– потенциал,
потенциалов металл затвора–полупроводник; 0	q	ln	n	– потенциал,
			i

соответствующий положению уровня Ферми в подложке, отсчитываемый от середины запрещенной зоны; QB qNaW 2 s 0qNa 2 0 Usub –

удельный заряд обедненной области полупроводника с учетом смещения на подложке; Qsurf – фиксированный заряд в диэлектрике; q – заряд электрона;

– потенциал подложки; s – диэлектрическая проницаемость полупроводника; Na – концентрация акцепторной (донорной для p-

канального транзистора) примеси в полупроводнике; EG - ширина запрещен-

ной зоны полупроводника подложки .

Экспериментальная установка

Имитационная модель МДПТ, созданная средствами комплекса LabVIEW, реализует приведенную выше математическую модель. Виртуальная установка (рис. 2.3) позволяет отслеживать влияние на ВАХ МДПТ следующих входных параметров: UD – напряжение на стоке; UG –

напряжение на затворе; d – толщина подзатворного слоя диэлектрика; Na –

уровень легирования канала активной примесью.

Рис. 2.3. Имитационная модель полевого транзистора с затвором Шоттки

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.

Задание

1.Исследуйте изменения ВАХ МДПТ при увеличении напряжения на затворе. В протокол лабораторной работы внесите данные для трех значений UG .

2.Проследите влияние увеличения толщины подзатворного слоя на ВАХ МДПТ. В протокол лабораторной работы внесите данные для трех значений d.

3.Проанализируйте изменение ВАХ МДПТ при увеличении концентрации примеси в активном слое. В протокол лабораторной работы внесите данные для трех значений Na .

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

5.Исследуйте, какие напряжения нужно изменять для увеличения глубины инверсного слоя в стоковой части затвора при сохранении глубины инверсного слоя в его истоковой части.

6.Подберите конструктивные характеристики ПТШ и UG таким

образом, чтобы ID.sat 125 мА, UD.sat 3.5 В.

Порядок выполнения работы

1. Запустите программу LabVIEW соответствующей иконкой в среде

Windows.

2.Загрузите файл с имитационной моделью: File → Open, далее выберите необходимый файл из каталога.

3.«Включите» модель, выбрав из функционального меню иконку .

4.Установите необходимые входные параметры.

5.Пронаблюдайте, как изменение входных параметров влияет на выходные – ВАХ.

6.Установите новые входные параметры или измените часть прежних и запустите установку.

7.«Выключите» установку, нажав кнопку ; после выполнения всех заданий выйдите из программы: File → Exit.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Описание исследуемого прибора и принципа его действия.

3.Основные положения имитационной модели.

4.Отчет о выполнении заданий, проиллюстрированный графиками, численными примерами (входные и выходные параметры модели). Каждый график должен сопровождаться пояснениями, описывающими полученные с помощью имитационной модели результаты с точки зрения физики исследуемых процессов.

5.Общие выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы

1.Опишите основные элементы конструкции планарного МДПТ.

2.В чем состоят основные этапы технологии изготовления планарного МДПТ?

3.Что такое пороговое напряжение МДПТ? От чего зависит пороговое напряжение?

4.Объясните особенности ВАХ характеристики МДПТ. Как объяснить наличие насыщения тока стока на ВАХ?

5.От чего зависит электрическая прочность планарного МДПТ?

6.Чем определяется максимальная рабочая частота прибора? Чем ограничивается увеличение быстродействия МДПТ на Si?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

УСИЛИТЕЛЬ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ НА ОСНОВЕ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА

Целью лабораторной работы является изучение основных закономерностей распространения и усиления волн пространственного заряда (ВПЗ) в тонкопленочных полупроводниковых структурах (ТПС) с отрицательной дифференциальной подвижностью (ОДП), исследование влияния геометрических о электрофизических параметров структуры на частотные характеристики усилителя бегущей волны (УБВ).

Основные положения

Эффект нарастания волн пространственного заряда в полупроводниковых структурах с ОДП, возникающей, например, в сильных электрических полях в материалах типа GaAs, лежит в основе работы усилителя бегущей волны.

Рис. 3.1. Поперечное сечение УБВ на ВПЗ

Схематически структура УБВ изображена рис. 3.1. УБВ состоит из эпитаксиальной пленки GaAs n-типа проводимости, выращенной на полуизолирующей подложке. На поверхности эпитаксиальной пленки нанесен слой диэлектрика 4 и сформированы омические контакты 1, 6, создающие дрейфовый поток электронов вдоль пленки, контакты в виде барьеров Шоттки (БШ), выполняющие функцию преобразования электромагнитной волны в волну пространственного заряда на входной БШ 2 и обратное преобразование на выходном БШ 5; управляющий электрод 3 для управления характером границы потока носителей заряда посредством подачи на него соответствующего потенциала.

Усиление на УБВ реализуется за счет нарастания ВПЗ, распространяющейся от входного к выходному БШ в среде, обладающей ОДП. Свойства такой среды определяются зависимостью средней скорости дрейфа электронов от напряженности электрического поля v(Е) (рис. 4.2).

При

E Ecr

( Ecr 3500

В/см

для

GaAs)

коэффициент

анизотропии

отрицателен:

где

d dv

– дифференциальная подвижность d tg ; s v

–

dE E E

статическая подвижность s tg .

Анализ распространения и усиления ВПЗ проведем для активной

области УБВ. Дисперсионное уравнение для волн пространственного заряда

в такой структуре может быть записано в самой общей форме:

2D v r i 0,

D модель жесткой границы

где

модель свободной границы;

ctg 2 a параметр;

i 2

qn s

– релаксационная частота в диэлектрике.

В этих формулах: q – заряд

электрона, 1,

– диэлектрические

проницаемости

соответственно

диэлектрической

полу-

проводниковой пленок; vе

– скорость

дрейфа; s – подвижность электронов;

n –

концентрация

электронов; 2а

–

толщина

пленки;

–

круговая

Ecr

частота; – коэффициент анизотро-

пии,

ζ – поперечное волновое число,

характеризующее распределение физических величин по толщине пленки и

связанное с продольным волновым числом = + i соотношением:

где r r , e . v0 v0

Анализ дисперсионного уравнения проводится последовательным приближением по коэффициенту диффузии D. В нулевом приближении полагаем D = 0, при этом решение получаем в следующем виде:

0	0	0	r	i e ,
n n i n
n n i n			1 v0
			1 v0

где n – номер моды.

Делая допущение о малости постоянной затухания (нарастания) волны по сравнению с фазовой постоянной, т. е. 0n 0n можно показать, что

0n 0e т. е. все моды в пленке имеют одинаковую фазовую скорость, равную скорости дрейфа электронов. Постоянная нарастания находится из дисперсионного уравнения на основании равенства 0n r учетом выражений для и виде

0	r			e
n	r		2	e	ctg(2 na) ,
0n					ctg(2 na) ,
0n		1 n

где	n	i		0n r	.

			e
				0n r

Учет влияния диффузии проводится в первом приближении при условии

слабой диффузии – такой, что 0n v0 , где 0 0 i e . В этом случае

дисперсионное уравнение дает два решения – для прямой и обратной волн:

1		2
	r.n	e	i	e	;
			i		;
n.пр		d
		d

1n.обр d i e ,

	0		v
где r.n	r n	, d	0	.


	v0 r		D

Влияние диффузии проявляется двояко. Во-первых, она создает для каждой моды обратную (диффузионную) волну. распространяющуюся

навстречу дрейфу электронов за счет процесса диффузии и сильно затухающую, так как обычно d e Во-вторых, диффузия влияет на постоянные распространения прямых волн, существующих при D = 0. При этом слабая диффузия практически не возмущает фазовой скорости прямых

волн, оставляя их вырожденными, т. е. vph v0 . За счет диффузии

изменяется лишь постоянная затухания (нарастания) волны, при этом – различным образом в зависимости от характера границы потока со стороны диэлектрика.

Если за счет потенциала на металле поток оттеснен от верхнего края полупроводниковой пленки, то граница является свободной. Если поток электронов не оттеснен от края пленки, то граница является жесткой. В соответствии с характером границы будут различаться граничные условия при решении дисперсионного уравнения. Нормированные постоянные затухания (нарастания) в первом приближении равны:

– для жесткой границы потока:

			1		0	ea 2

						r d a		2
			r		r	r d a		2
– для свободной границы потока:
	1	0		1			0		e 2
												.
	r	r						0			a2	.
							1		r	d
							1		r	d
							r	r
								r

Для усиливаемых волн ( 0 0 ) в режиме ОДП ( < 0) второе слагаемое в этих формулах положительно. Это означает, что диффузия существенным образом снижает усиление в области высоких частот: если при D = 0 каждая волна имеет на высоких частотах max , то при D = 0 диффузия подавляет усиление на высоких частотах и тем самым ограничивает частотный диапазон.

Про исследовании процессов усиления ВПЗ, а также при разработке конструкции и топологии УБВ, обеспечивающего усиление сигнала в широкой полосе частот, необходимо знать зависимость частотной характеристики усиления от таких параметров полупроводниковой пленки,

как коэффициент анизотропии , концентрация носителей заряда n, толщина пленки 2а, коэффициент диффузии D. Погонный коэффициент усиления G1:

G1 = 8.68| | [дБ/мкм].

Экспериментальная установка

Имитационная модель УБВ на ВПЗ создана средствами LabWIEW (рис. 3.3). Входными параметрами модели являются: параметры пленки GaAs - концентрация носителей заряда Nd , коэффициент анизотропии и

параметры прибора (расстояние между входной и выходной антеннами, толщина пленки GaAs, отношение величин диэлектрических проницаемостей GaAs и диэлектрической пленки управляющего электрода). Входные параметры устанавливают, вводя их значения в числовой форме с клавиатуры в соответствующее поле или с помощью мыши. Так, геометрические параметры прибора изменяют, установив курсор на край элемента (выходной антенны или пленки) и перемещая его при зажатой левой кнопке мыши.

Рис. 3.3. Имитационная модель УБВ на ВПЗ

Амплитуда входного СВЧ сигнала зафиксирована, частота входного сигнала может варьироваться в диапазоне от 3 ГГц до 20 ГГц. Это позволяет измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) исследуемой моде-

<<< < Предыдущая 12 / 42 3 4 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке Методы

#
21.06.2024731.33 Кб18Учебно пособие по лабораторным работам.pdf
#
21.06.20242.89 Mб20Учебное пособие на практику.pdf