Лабы ТТЭл Тупицын / ЛР3 Исследование полевого транзистора с управляющим pn-переходом

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МВЭ

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Твердотельная электроника»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

С УПРАВЛЯЮЩИМ p–n-ПЕРЕХОДОМ

Студент гр.
Преподаватель		Тупицын А.Д.

Санкт-Петербург

202X

Цель работы

Исследование характеристик кремниевого полевого транзистора с p–n-переходом и определение его физико-топологических параметров.

Основные теоретические положения

Полевой транзистор с управляющим -переходом представляет собой эпитаксиальную пленку p-типа толщиной и шириной , выращенную на полуизолирущей подложке. Два электрода – исток и сток, между которыми прикладывается напряжение , выполняются в виде омических контактов. Третий электрод – затвор длиной – представляет собой – переход, формирующий в канале полевого транзистора область пространственного заряда (ОПЗ) толщиной , обедненную подвижными носителями заряда. Таким образом, изменение напряжения на затворе приводит к изменению площади поперечного сечения канала (так как ОПЗ расширяется или сужается), а следовательно, и тока , протекающего между стоком и истоком в подзатворной области.

Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p–n-переходом.

Для расчета выходных и передаточных характеристик для длинноканального транзистора используют «модель плавного канала», в основе которого лежат следующие допущения:

1. Канал имеет плавную форму, т. е. эквипотенциали ОПЗ проходят практически параллельно границе «канал–подложка», что означает поперечный характер поля в ОПЗ и продольный – в канале.

2. ОПЗ имеет резкую границу, т. е. тепловое размытие отсутствует.

3. Подвижность электронов в канале постоянна, т. е. напряженность электрического поля невелика и насыщения скорости не происходит.

На рис. 2 и 3 изображены выходные (вольтамперные) и передаточная характеристики.

Рис. 2. Выходные характеристики полевого транзистора

Рис. 3. Передаточная характеристика полевого транзистора

Параметры исследуемого транзистора КП103

Таблица 1. Параметры исследуемого устройства

Величина	Название	Значение
	максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;	7 мВт
	максимально допустимое напряжение сток-исток	10 В
	максимально допустимое напряжение затвор-сток	15 В
	напряжение отсечки полевого транзистора	0,4…1,5 В
	ток утечки затвора	20 мА
	крутизна характеристики полевого транзистора	0,4…2,4 мА/В
	начальный ток стока	0,3…2,5 мА
	рабочая температура	-55…+85 ℃

Обработка результатов эксперимента

1. Схема для исследования вольт-амперных характеристик полевого транзистора (рис. 4).

Рис. 4. Схема для исследования ВАХ полевого транзистора

2. Таблицы проведенных измерений.

Таблица 2 – результаты измерения семейства выходных характеристик, т. е. зависимости стокового тока I_с, от напряжения «сток-исток» U_си, при разных напряжениях «затвор-исток» U_зи = 0; -0,2; -0,4 В.

Таблица 2. Данные измерений ВАХ

Uзи = 0 В	Uси, В	0	-0,15	-0,3	-0,5	-0,7	-1	-1,5	-2,5	-5
	Iс, мА	0	-0,2	-0,4	-0,56	-0,68	-0,76	-0,8	-0,84	-0,92
Uзи = -0,2 В	Uси, В	0	-0,2	-0,5	-0,7	-1	-1,5	-2,5	-5	0
	Iс, мА	0	-0,2	-0,4	-0,48	-0,5	-0,52	-0,54	-0,6	0
Uзи = -0,4 В	Uси, В	0	-0,2	-0,3	-0,5	-1	-2,5	-5	0	-0,2
	Iс, мА	0	-0,12	-0,2	-0,24	-0,28	-0,3	-0,34	0	-0,12

Таблица 3 – передаточные характеристики, т. е. зависимости выходного (стокового) тока I_с от входного напряжения U_зи (затвор – исток) при фиксированных потенциалах сток – исток U_си = -5 В; U_си = U_{с нас} = -0,6 В.

Таблица 3. Данные измерений передаточных характеристик

Uси = -5 В	Uзи, В	0	0,2	0,4	0,6	0,8
	Iс, мА	-0,92	-0,6	-0,36	-0,2	-0,1
Uси = Uс нас = = -0,6 В	Uзи, В	0	0,2	0,4	0,6	0,8
	Iс, мА	-0,72	-0,48	-0,28	-0,16	-0,08

3. Графики стоковых и передаточных характеристик.

Построим графики статических выходных вольт-амперных (стоковых) характеристик по данным из табл. 1 и передаточных характеристик по табл. 2 (рис. 5, 6).

Рис. 5. ВАХ (стоковые характеристики) полевого транзистора КП103

Рис. 6. Передаточные характеристики полевого транзистора КП103

Проведем касательные к двум участкам выходной характеристики – линейному участку и насыщению при . Найдем значение напряжения насыщения:

4. На основе начального участка зависимости определим проводимость : g_си0, мСм

Построим данную зависимость (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость начальной проводимости от напряжения затвора полевого транзистора

5. Используя измерения при двух значениях , найдем диффузионный потенциал и напряжение отсечки канала .

Выражение для проводимости канала в линейной области имеет вид

С его помощью найдем соотношение между и . Будем считать ( ).

Определим значение порогового напряжения , при котором . Аппроксимируем передаточную характеристику при (см. рис. 6) и решим полученное уравнение кривой:

Найдем диффузионный потенциал и напряжение полного перекрытия канала:

6. Определим физико-топологические параметры кремниевого полевого транзистора (N_A, a, L, Z), зная, что .

Найдем уровень легирования и толщину пленки a:

где .

Длина затвора:

где ; .

Ширина эпитаксиальной пленки:

Выводы

В лабораторной работе были исследованы вольт-амперные и передаточные характеристики полевого транзистора. Построены графики трех ВАХ при разных напряжениях «затвор – исток». Чем ниже это напряжение, тем меньше по модулю ток насыщения.

Для трех ВАХ были рассчитаны начальные проводимости. Проводимость снижается с приложением большего отрицательного напряжения затвора.

Передаточные характеристики, полученные для двух потенциалов сток – исток, позволили определить пороговое напряжение затвора. С его учетом были рассчитаны физико-топологические параметры кремниевого полевого транзистора.