ЛР1 Полевой МДП транзистор

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

Кондрашов не читай пож

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Микро- и наноэлектроника»

Тема: ПОЛЕВОЙ МДП-ТРАНЗИСТОР

Студенты гр.
Преподаватель		Кондрашов А.В.

Санкт-Петербург

202X

Цель работы

Целью лабораторной работы является 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 N_a.

Рис. 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.

Рис. 2. Влияние напряжений на контактах МДПТ на форму 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 можно определить как:

где это подвижность электронов в канале; удельная емкость диэлектрика; диэлектрическая проницаемость материала подзатворного диэлектрика; длина канала; ширина канала.

Приведенное ранее выражение описывает зависимость для участка до насыщения тока (II участок).

При малых в линейной области

В области насыщения тока, когда , ток определяется как:

Крутизна ВАХ МДПТ вычисляется следующим образом:

– для линейной области:

– для области насыщения:

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

где контактная разность потенциалов металл затвора–полупроводник; потенциал, соответствующий положению уровня Ферми в подложке, отсчитываемый от середины запрещенной зоны; удельный заряд обедненной области полупроводника с учетом смещения на подложке; фиксированный заряд в диэлектрике ( поверхностная плотность положительных зарядов оксида); заряд электрона; потенциал подложки; диэлектрическая проницаемость полупроводника; концентрация акцепторной (донорной для - канального транзистора) примеси в полупроводнике; ширина запрещенной зоны полупроводника подложки.

Модель экспериментальной установки

Имитационная модель МДПТ, созданная средствами комплекса LabVIEW, реализует приведенную выше математическую модель.

Виртуальная установка (рис. 3) позволяет отслеживать влияние на ВАХ МДПТ следующих входных параметров: — напряжение на стоке; — напряжение на затворе; — толщина подзатворного слоя диэлектрика; — 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.

Рис. 3. Имитационная модель МДПТ

Обработка результатов эксперимента

1.1. Исследование влияния увеличения толщины подзатворного слоя на ВАХ МДПТ. .

Рис. 4. ВАХ МДПТ при разной толщине подзатворного слоя

Зависимость для участка до насыщения при малых в линейной области описывается формулой:

где – подвижность носителей, удельная емкость диэлектрика, пороговое напряжение.

Зависимость для участка в области насыщения описывается формулой:

С увеличением толщины диэлектрического слоя снижается емкость диэлектрика. Это приводит к повышению напряжения на диэлектрике, что, в свою очередь, увеличивает пороговое напряжение .

С ростом уменьшается , так как толщина канала становится меньше, сопротивление растёт, следовательно, наклон линейного участка уменьшится. Чтобы произошло перекрытие канала, требуется подать меньшее напряжение на стоке.

C ростом толщины диэлектрического слоя происходит уменьшение инверсионного слоя, так как с ростом толщины диэлектрического слоя поле, создаваемое напряжением на затворе, будет уменьшаться, следовательно, ток будет меньше.

1.2. Исследование изменения ВАХ МДПТ при увеличении концентрации примеси в активном слое. .

Рис. 5. ВАХ МДПТ при разной концентрации примеси в активном слое

С увеличением концентрации акцепторной примеси увеличивается заряд обедненной области.

Кроме того, увеличивается потенциал уровня Ферми.

Таким образом, происходит увеличение порогового напряжения , что приведёт к уменьшению напряжения насыщения .

В итоге с ростом порогового напряжения будет уменьшаться ток стока .

1.3. Исследование изменения ВАХ МДПТ при увеличении напряжения на затворе. .

Рис. 6. ВАХ МДПТ при разных напряжениях на затворе

Повышение напряжения на затворе увеличивает ширину канала и приводит к уменьшению его сопротивления. В результате, ток может легче течь через канал, что приводит к дальнейшему росту тока. При этом, с увеличением напряжения на затворе, значение напряжения насыщения также возрастает. Это объясняется тем, что расширение канала требует большего напряжения на стоке для достижения полного перекрытия канала.

2.1. Исследование напряжений для увеличения глубины инверсного слоя в стоковой части затвора при сохранении глубины инверсного слоя в ее истоковой части.

Ниже представленный рисунок исследовался при напряжении затвора , концентрации примеси , толщине подзатворного слоя .

Рис. 7. Поперечное сечение МДП-транзистора при различных

(зелёным – 5,24 В, жёлтым – 6,99 В, красным – 10 В)

Из рисунка 7 видно, что при увеличении напряжения на стоке толщина канала уменьшается. Это происходит из-за увеличения обедненной области p-n перехода, так как электронам начинает мешать большой потенциальный барьер.

Глубина инверсного слоя в области истока не меняется, поскольку этот электрод был заземлен.

2.2. Исследование изменения глубины инверсного слоя при увеличении напряжения затвор-исток.

Рис. 8. Поперечное сечение МДП-транзистора при различных напряжениях на затворе (красным – 2,72 В, жёлтым – 3,59 В, зелёным – 4,54 В)

Выше представленный рисунок исследовался при концентрации примеси , напряжении стока = 8 B, толщине подзатворного слоя .

На рисунке 8 отчетливо видно, что при увеличении напряжения на затворе ширина канала растет. Это обусловлено тем, что усиливается электрическое поле, создаваемое напряжением на затворе. Это поле "притягивает" свободные электроны из подложки к затвору, образуя инверсный слой, который и является каналом для прохождения тока.

Чем сильнее электрическое поле, тем больше свободных электронов притягивается к затвору, что приводит к увеличению концентрации электронов в инверсном слое и его ширине. Таким образом, увеличивается проводимость канала, что позволяет более легко проходить току от истока к стоку.

3. Подбор конструктивных характеристик МДПТ и таким образом, чтобы , .

Рис. 9. ВАХ МДПТ с ,

Выше представленный рисунок был получен при напряжении затвора ; напряжении стока ; концентрации примеси; ; толщине подзатворного слоя .

Рис. 10. ВАХ МДПТ с , .

Выводы

В ходе лабораторной работы мы приобрели практические навыки качественного анализа основных функциональных зависимостей, описывающих физические процессы, протекающие в полевом МДП-транзисторе.

Были построены ВАХ МДПТ при изменении различных его параметров. На основе полученных зависимостей мы проанализировали процессы происходящие в транзисторе для объяснения хода ВАХ.

Также благодаря визуализации происходящего в МДПТ с индуцированным n-каналом с помощью программы в LabVIEW мы наглядно убедились в том, как изменение основных параметров транзистора влияют на форму канала.