лаба 4 никонова

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

отчёт

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Твердотельная электроника»

Тема: «ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ»

Студенты гр.
Преподаватель		Никонова В.А.

Санкт-Петербург

2025

Цель работы: экспериментальное исследование транзисторов

Основные теоретические положения.

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем. Среди полевых транзисторов важное место занимают МДП-транзисторы с индуцированным каналом и полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом. Структура МДП-транзистора с индуцированным n-каналом показана на Рисунок 1, а. В кристалле относительно высокоомного полупроводника (подложке) сформированы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности, к которым изготовляются металлические электроды – исток И и сток С. На поверхности кристалла между истоком и стоком методом термического окисления сформирован тонкий слой диэлектрика (SiO2), на который нанесен металлический электрод – затвор З. Получается структура, состоящая из слоя металла, диэлектрика и полупроводника, т. е. МДП-структура.

а	б
Рисунок 1. Структура: а – МДП-транзистора с индуцированным каналом; б – полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

В основе работы МДП-транзистора лежит эффект поля. При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода стока. При напряжениях на затворе, больших напряжения UЗИ. пор – порогового напряжения, – под действием электрического поля затвора у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой (слой с электропроводностью, противоположной электропроводности подложки). Этот инверсный слой, соединяющий между собой две сильнолегированные области истока и стока, и является проводящим каналом (Рисунок 2). С увеличением напряжения на затворе повышается концентрация носителей заряда в канале, уменьшается его сопротивление и, как следствие, растет ток стока.

Так происходит управление током стока в МДП-транзисторе. Поскольку затвор отделен от подложки слоем диэлектрика, ток в цепи затвора мал (нерегулируемый ток утечки), мала и мощность, потребляемая от источника питания в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока, т. е. МДП-транзистор может усиливать электрические сигналы по напряжению и по мощности.

Так как ток затвора из-за наличия диэлектрика практически отсутствует, для описания работы МДП-транзистора используется семейство вольт-амперных характеристик передачи (в биполярном транзисторе – входные ВАХ), а также семейство выходных ВАХ (Рисунок 3).

Статические вольт-амперные характеристики передачи МДП‑транзистора – это зависимости тока стока IС от напряжения на затворе относительно истока UЗИ: IС = f (UЗИ) при различных фиксированных напряжениях на стоке UСИ (Рисунок 3,а). Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению UЗИ. пор. С ростом напряжения на затворе растет концентрация носителей заряда в канале, следовательно, и ток стока. При большом напряжении на затворе UЗИ заряд в канале экранирует влияние затвора на подложку, и ток стока IC практически не увеличивается. Носители заряда в канале движутся под действием напряжения на стоке (дрейф под действием поля в канале), поэтому с увеличением напряжения на стоке растут дрейфовая скорость носителей заряда, а также ток стока.

а

б

в

Рисунок 2. Изменение формы канала (и области объемного заряда) в МДП-транзисторе при UЗИ > UЗИ. пор: а – UСИ < UЗИ, б – UСИ ~ UЗИ, в – UСИ > UЗИ

а	б
Рисунок 3. ВАХ МДП-транзистора: а – передачи; б – выходные

По характеристике передачи можно найти основной параметр, определяющий усилительные свойства прибора – крутизну характеристики передачи S = d/d при UСИ = const. Выходные статические характеристики МДП-транзистора – это зависимости тока стока IС от напряжения на стоке относительно истока UСИ: IС = f (UСИ) при различных фиксированных напряжениях на затворе UЗИ (Рисунок 3, б). При напряжении на затворе, большем порогового напряжения, характеристика выходит из начала координат. Вначале она линейна и проходит под углом, соответствующим сопротивлению канала между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора, RCИ. отк = UСИ/IC (см. Рисунок 2, а). Затем характеристика сублинейна: при увеличении напряжения на стоке канал из-за прохождения по нему тока стока сужается к стоку (становится неэквипотенциальным – см. Рисунок 2, б). Сопротивление канала растет, что и является причиной замедленного роста тока стока при возрастании напряжения на стоке. Эту часть характеристики называют крутой частью.

а

б

в

Рисунок 4. Изменение формы канала (и области объемного заряда) в полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом: а – UСИ = UЗИ = 0; б – UСИ ~ UЗИ; в – UСИ > UЗИ

При напряжении на стоке UСИ. нас – напряжении насыщения, примерно равном напряжению на затворе, происходит перекрытие канала около стока, ток стока достигает значения тока стока насыщения – IС. нас. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое приращение тока стока (см. Рисунок 2, в), при этом носители экстрагируются из канала полем стокового p-n-перехода. Эту часть характеристики называют пологой. По пологой части характеристики можно определить активную составляющую выходной проводимости транзистора g22и = dIC/dUСИ при UЗИ = const.

При увеличении напряжения на затворе с возрастанием концентрации носителей заряда в канале при малых напряжениях на стоке увеличивается ток стока (характеристики имеют больший наклон) и возрастает напряжение насыщения, поэтому вся характеристика смещается в область больших токов стока.

Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом показана на Рисунок 1, б. В нем канал уже существует, а модуляция сопротивления канала и, следовательно, управление током стока происходит при изменении обратного напряжения на p-n-переходе затвора: изменяются геометрические размеры канала, но не изменяется концентрация носителей в канале (Рисунок 4). С увеличением напряжения на затворе растет толщина p-n-перехода и сужается толщина канала, следовательно, растет сопротивление канала протекающему через него току стока. Поэтому, здесь (в отличие от МДП-транзистора) ток стока с ростом напряжения на затворе уменьшается (Рисунок 5, а – ВАХ передачи), и при некотором напряжении UЗИ. отс – напряжении отсечки – канал полностью перекрывается областью объемного заряда, т. е. сток полностью отсекается от истока. В этом случае ток стока минимальный, он определяется только током обратно смещенного p-n-перехода.

При фиксированном напряжении на затворе (Рисунок 5, б – выходная ВАХ) вначале при малом напряжении на стоке ток стока быстро растет (ВАХ линейна), затем с ростом напряжения на стоке область p-n-перехода расширяется в сторону стока (Рисунок 4, б), что приводит к сужению канала, и следовательно, к росту сопротивления канала и замедлению роста тока стока (участок сублинейный). Это соответствует крутому участку ВАХ. Далее канал, сужаясь, практически не изменяет своей толщины (Рисунок 4, в), и ВАХ переходит в область насыщения – ток стока меняется незначительно (Рисунок 5, б).

а	б
Рисунок 5. ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом: а – передачи; б – выходные

Таким образом, вид выходной ВАХ совпадает с видом ВАХ МДП-транзистора, но при нулевом напряжении на затворе ток стока максимальный. С увеличением напряжения на затворе ток стока уменьшается, и при большем напряжении на затворе (по абсолютному значению) выходная ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (в отличие от МДП-транзистора с индуцированным каналом) смещается в область меньших токов.

Описание установки

Статические характеристики полевых транзисторов исследуют с помощью установки, схема которой приведена на Рисунке 6. Напряжения на затвор и на сток исследуемого транзистора подают от регулируемых источников постоянного напряжения G1 и G2. Напряжение на затворе относительно истока измеряют вольтметром РU1, напряжение на стоке относительно истока – вольтметром РU2. Ток стока измеряют миллиамперметром РА.

Рисунок 6. Схема установки для исследования статистических

характеристик полевых транзисторов

Обработка результатов эксперимента.

Таблица 1 – Выходные характеристики и характеристики передачи МДП-транзистора

Uси, В	Uзи=4,4В	Uзи=6В	Uзи=8В	Uзи=10В
0	0,003	0,01	0,01	0,028
0,5	0,08	0,41	0,963	1,68
1	0,097	0,573	1,717	2,661
1,5	0,105	0,624	2,227	3,58
2	0,11	0,662	2,538	4,398
2,5	0,114	0,682	2,787	4,937
3	0,119	0,697	2,888	5,304
4	0,123	0,724	3,083	5,87
5	0,127	0,756	3,22	6,288
6	0,14	0,777	3,32	6,54
7	0,148	0,8	3,413	6,687
8	0,154	0,821	3,483	6,89
9	0,161	0,842	3,555	7,023
10	0,168	0,864	3,618	7,124
11	0,175	0,883	3,684	7,263
12	0,181	0,9	3,744	7,347
13	0,188	0,923	3,79	7,444
14	0,195	0,94	3,85	7,538

Uзи, В	Ucи=1В	Ucи=10В
0	0,004	0,034
1	0,004	0,034
2	0,005	0,035
3	0,005	0,035
4	0,009	0,043
5	0,154	0,285
6	0,551	0,897
7	1,046	2,084
8	1,553	3,75
9	1,927	5,586
10	2,176	6,936

1. По экспериментальным результатам, представленным в таблице

1, на рисунках 7 и 8 построим графики семейства выходных статических

характеристик и характеристик передачи МДП-транзистора с

индуцированным каналом.

Рисунок 7. Семейство выходных характеристик МДП-транзистора с индуцированным

каналом при различных значениях напряжения затвора

Рисунок 8. Характеристики передачи МДП-транзистора с индуцированным

каналом при различных значениях напряжения стока

2. По характеристике передачи, полученной при напряжении стока Uси=10В, определим пороговое напряжение МДП-транзистора с индуцированным каналом как напряжение на затворе, при котором тока стока равен 10 мкА. Для этого построим квадратичную интерполяцию экспериментальных значений на рисунке 8.

Полученный полином второй степени имеет два корня: x1≈0,79, x2≈4,07. Из полученных значений следует выделить второй корень, так как первый корень не может быть пороговым. Таким образом, Uзи_пор≈4,07В.

3. Используя полученную на рисунке 8 характеристику вычислим крутизну передачи МДП-транзистора при Uзи = 8 В.

4. По выходной статической характеристике, представленной на рисунке 7 и полученной при Uзи=10В, определим сопротивление “сток-исток” в открытом состоянии транзистора:

5. Оценим длину канала МДП-транзистора l

6. По выходной статической характеристике, представленной на рисунке 7, при Uзи=8В и при Uси=10В определим активную составляющую выходной проводимости МДП-транзистора:

7. Вычислим собственный коэффициент усиления по напряжению МДП-транзистора, используя соотношение для рабочей точки, в которой были определены крутизна и активная составляющая выходной проводимости.

Таблица 2 – выходные характеристики и характеристики передачи полевого транзистора

Выходные характеристики						Характеристики передачи
Uси, В	Uзи=0В	Uзи=0,2В	Uзи=0,4В	Uзи=0,6В	Uзи, В		Ucи=1В	Ucи=7В
	Uзи, В						Ic, мА
0	0,014	0,008	0,004	0,001	0		0,432	0,567
0,5	0,412	0,068	0,05	0,01	0,1		0,313	0,432
1	0,453	0,204	0,063	0,014	0,2		0,213	0,3
1,5	0,474	0,222	0,073	0,018	0,3		0,12	0,2
2	0,49	0,233	0,078	0,02	0,4		0,06	0,125
2,5	0,501	0,24	0,084	0,023	0,5		0,028	0,072
3	0,508	0,247	0,086	0,024	0,6		0,013	0,044
4	0,523	0,258	0,096	0,028	0,7		0,008	0,032
5	0,541	0,27	0,103	0,034	0,8		0,005	0,028
6	0,554	0,282	0,112	0,038
7	0,568	0,294	0,12	0,043
8	0,58	0,308	0,13	0,048

8. По экспериментальным данным, представленным в таблице 2, на рисунке 9 построим семейство выходных статических характеристик передачи полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

Рисунок 9. Семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим

p-n-переходом при различных значениях напряжения затвора

По экспериментальным данным, представленным в таблице 2, на рисунке 10 построим график характеристик передачи полевого транзистора. По полученной при Uси=1В зависимости определим напряжение отсечки полевого транзистора как напряжение, при котором ток стока равен 10мкА.

Рисунок 10. Характеристики передачи полевого транзистора с управляющим

p-n-переходом при различных значениях напряжения стока

9) На рисунке 10 построим квадратичную интерполяцию экспериментальных данных при напряжении стока 1В. Данная функция имеет два корня при условии Iс(Uзи) = 0,01 мА: x1≈ 0,63, x2≈ 0,71. Напряжение отсечки Uотс≈0,63В

ВЫВОД: в ходе лабораторной работы были исследованы полевые и МДП-транзисторы. В п.1. было построено семейство выходных характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом при различных значениях напряжения затвора, при изучении которых можно сказать, что с увеличением напряжения на стоке растёт ток на стоке. При достижении напряжения насыщения увеличение тока прекращается. Это объясняется тем, что при напряжении насыщения происходит перекрытие канала около стока. При увеличении напряжения на затворе растёт концентрация носителей заряда в канале, что приводит к увеличению тока.

Значение сопротивления «Сток-исток» было рассчитано в п.4 и составило 459,6 Ом. Характеристика передачи МДП-транзистора была построена в п.1. В п.2 было получено пороговое напряжение, составившее 4,07В. В п.3 были рассчитаны значения крутизны характеристики передачи, равные 0,507 мА/В при Uси = 1В и 1,666 мА/В при Uси = 10В. В п.7 было получено значение коэффициента усиления по напряжению МДП-транзистора, составившее 26,44.

При построении ВАХ полевого транзистора (Рисунок 9) было обнаружено, что с увеличением напряжения на затворе характеристика смещается вниз. При нулевом напряжении на затворе ток стока максимальный. Зависимость принимает линейный характер с увеличением напряжения на стоке. Из построения передаточной функции в п.9. (Рисунок 10) видно, что при увеличении напряжения на затворе, ток стока уменьшается, так как при увеличении напряжения на затворе растет толщина p-n-перехода и сужается толщина канала. Также было рассчитано напряжение отсечки, равное 0,63В, при котором канал перекрывается полностью, а ток стока стремится к нулю.

ВЫВОД (): в ходе лабораторной работы были исследованы полевые и МДП-транзисторы. В пункте 1 построено семейство выходных характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом при разных напряжениях на затворе. Наблюдалось, что с ростом напряжения на стоке увеличивается ток стока, но при достижении напряжения насыщения рост тока прекращается из-за перекрытия канала у стока. Увеличение напряжения на затворе повышает концентрацию носителей заряда в канале, что приводит к росту тока.