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 эксперимента

1.1. Исследование влияния напряжения затвора на вах и крутизну вах птш.

Исходные параметры: N_d = 5,9*10²³ м^-3; A = 1,53*10^-7 м.

Рис. 5. Влияние напряжения затвора на ВАХ ПТШ

На графике ВАХ ПТШ видны два участка: начальный линейный участок и участок насыщения.

В первой области ток стока I_С линейно возрастает, скорость дрейфа электронов растёт с увеличением напряжения стока Uc, согласно закону Ома.

Ток в этой области определяется выражением:

где – относительная глубина обеднения под истоковым концом затвора; – относительная глубина обеднения под стоковым концом затвора; – ток отсечки канала (Z – ширина структуры ПТШ).

Также одновременно с этим растет толщина обедненного слоя у стока, сужая канал. Это приводит к насыщению тока: дальнейшее увеличение Uc не вызывает роста Iс.

Насыщение объясняется взаимодействием электронов в суженном канале, приводящим к рассеянию и снижению общей скорости потока.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе, насыщение наступает при меньших значениях Uc. Это связано с увеличением толщины обедненного слоя под затвором, что изначально сужает канал, и, следовательно, достижение насыщения требует меньшего напряжения на стоке.

Напряжение, соответствующее началу области насыщения (U_C.нас), определяется следующим образом:

Рис. 6. Влияние напряжения затвора на крутизну ВАХ ПТШ

График крутизны ВАХ ПТШ показывает, что при больших по модулю отрицательных напряжениях на затворе крутизна уменьшается, снижая эффективность управления током стока. Это обусловлено увеличением глубины обедненного слоя, что сужает канал проводимости и уменьшает количество электронов, проходящих через него.

Крутизна в области насыщения:

1.2. Проанализируем изменения вах и крутизны вах птш при увеличении концентрации донорной примеси в активном слое.

Исходные параметры: U_З = -3,05 В; A = 1,53*10^-7 м.

Рис. 7. Влияние концентрации донорной примеси на ВАХ ПТШ

Повышение концентрации донорной примеси сужает обедненную область, увеличивая число электронов, участвующих в проводимости. Это приводит к росту как тока, так и крутизны характеристики. Напряжение стока, необходимое для перехода в режим насыщения (запирания канала), также увеличивается, поскольку более высокая концентрация доноров изначально создаёт более широкий канал, требующий большего напряжения для его перекрытия.

где U_к – контактная разность потенциалов, U_З – напряжение на затворе, N_d – концентрация донорной примеси, – диэлектрическая проницаемость полупроводника.

Рис. 8. Влияние концентрации донорной примеси на крутизну ВАХ ПТШ

Более высокая концентрация донорной примеси увеличивает число свободных носителей заряда, делая их более чувствительными к управляющему напряжению затвора. Это приводит к увеличению крутизны вольтамперной характеристики (ВАХ).