Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники полевые приборы. Лабораторный практикум
.pdf
и реальной ВФХ происходит за счет положительного суммарного заряда в диэлектрике и на границе раздела Q
> 0. При Uз = 0 в при-
пс
поверхностной области реальной структуры скапливаются электроны и реализуется режим аккумуляции. Чтобы обеспечить режим
плоских зон, на затвор подается отрицательное смещение ΔU
сдвиге смещения на затворе ΔU
Q
пс
=2,1·1011 см–2.
q
= 1,9 В значения Qпс/Сд = 1,9 В и
з
. При
з
Таким образом, с помощью анализа реальных вольт-фарадных
характеристик МДП-структур и сравнения их с идеальными можно
определить:
1) тип проводимости полупроводника, на котором нанесен слой
оксида и изготовлена МДП-структура;
2) диэлектрическую проницаемость оксида по известной площади металлического электрода МДП-структуры и известной толщине
диэлектрика;
3) концентрацию легирующей примеси в полупроводнике;
4) эффективную концентрацию поверхностных состояний на
границе раздела между диэлектриком и полупроводником;
5) энергетический спектр поверхностных состояний на границе
раздела.
2.3. Описание устройства стенда
Аппаратная часть стенда состоит из персонального компьютера
и измерительного блока с установленными в него образцами полупроводниковых приборов, измерительными преобразователями,
которые используются для формирования напряжения смещения от
–10 до +10 В и высокочастотного сигнала напряжения воздействия
на объект измерения частотой 1 МГц и амплитудой 25 или 250 мВ,
а также преобразования тока через образец в сигнал, пропорциональный его емкости и проводимости. Управление измерительным
блоком и обработка измерительной информации производится персональным компьютером, подключаемым к измерительному блоку
с помощью интерфейсного модуля через порт USB. Внешний вид
стенда представлен на рис. 2.5.
В качестве встроенных образцов полупроводниковых структур в
измерительном блоке установлены диод Шоттки, варикап и полевой
транзистор с изолированным затвором в качестве образца МДПструктуры. Через разъемы на передней панели измерительного бло-
31
Рис. 2.5. Внешний вид автоматизированного лабораторного стенда
ка осуществляется подключение внешних образцов полупроводниковых структур.
Пределы измерения емкости образца составляют 1000, 300, 100,
30 и 10 пФ.
Программное приложение стенда позволяет проводить автоматизированные измерения ВФХ полупроводниковых структур, выполнять обработку и осуществлять отображение полученных результатов на экране монитора в графическом и табличном виде, и также
сохранять их в базе данных. Предусмотрена возможность передачи
результатов в текстовый процессор Microsoft Word для подготовки
отчета по проделанной работе.
2.4. Задание
1. Получить у лаборанта 2 кремниевых полевых транзистора и по
справочнику найти их параметры и схемы распределения выводов.
Определить полярность напряжений Uс и Uз. Параметры и расположение выводов занести в лабораторный журнал.
2. Измерить высокочастотные ВФХ полевых транзисторов.
3. Построить экспериментальные ВФХ в нормированных единицах С
личине диэлектрической проницаемости εд.
4. Определить минимальную емкость полупроводника СS, а из нее
уровень легирования.
5. Все полученные экспериментальные данные занести в таблицы, по которым затем построить графики.
и найти толщину диэлектрика dд (SiO2) по известной ве-
экс/Сд
32
2.5. Порядок выполнения работы
и указания по технике безопасности
1. При выполнении работы следует руководствоваться указаниями по технике безопасности, представленными в начале лабораторного практикума.
2. Получить у преподавателя или лаборанта испытуемый полевой
транзистор и по справочнику найти его параметры и схему распределения выводов. Определить полярность.
3. Включить персональный компьютер (ПК).
4. Дождаться полной загрузки ПК и включить измерительный
блок.
5. На экране ПК найти ярлык «ВФ метод» и активировать его.
6. Подключить через разъемы на передней панели измерительного блока испытуемый полевой транзистор, учитывая полярность
подключения выводов (затвор – синий, сток/исток – красный).
7. Для измерения ВФХ выбрать схему измерений № 2 (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Схема измерений № 2
8. На схеме измерения нажать «Образец» и выбрать пункт «Внешний».
9. Далее активизировать функциональный генератор и характериограф.
10. Установить на характериографе необходимый предел измерений, превышающий максимальную емкость транзистора.
33
11. На функциональном генераторе установить границы изменения напряжения смещения и включить функциональный генератор.
Дождаться построения всей ВФХ.
12. Скопировать с помощью Print Screen получившуюся характеристику на свой информационный носитель.
13. Закрыть все окна на экране ПК, отсоединить исследуемый
транзистор, выключить измерительный блок и ПК.
Проделать то же самое для всех выданных вам полевых транзи-
сторов.
2.6. Обработка результатов эксперимента
Полученные экспериментально значения емкости перестраиваются в нормированные величины С/Сд, где С – измеренная емкость,
а Сд – емкость слоя диэлектрика, которая определяется как С = Сд
в режиме обогащения. По известной площади контакта, диэлектрической проницаемости εд и измеренной емкости диэлектрика определяется толщина диэлектрического слоя.
Концентрация примеси в полупроводнике определяется из тех же
высокочастотных ВФХ исходя из значения минимальной емкости,
соответствующей режиму обеднения. При этом можно определить
максимальную ширину области пространственного заряда, следовательно, и концентрацию примеси.
2.7. Содержание отчета
Отчет должен содержать: краткое теоретическое введение, включающее в себя принцип работы МДП-структуры как идеальной, так
и реальной; методику измерений высокочастотных ВФХ, а также результаты измерений и расчетов, записанные в таблицы. Все расчеты
необходимо занести в отчет, и только затем конечный результат поместить в таблицу.
Литература
Гуртов В.А. Твердотельная электроника. – М.: ТЕХНОСФЕРА,
2008.
Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Физматлит, 2008.
Шур М.С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 кн. – М.:
Мир, 1992 . – Кн. 1. – 479 с.
34
Контрольные вопросы
1. Каким образом осуществляется режим инверсии в МДП-струк-
туре?
2. Как зависит величина поверхностного заряда от потенциа ла на
поверхности?
3. Какое влияние оказывает разность работ выхода и заряд по-
верхностных состояний Ф
4. Изобразите эквивалентную схему МДП-структуру без учета и с
учетом поверхностных состояний.
5. Что такое высокочастотная характеристика МДП-структуры?
6. При каких условиях возможно измерение низкочастотных
ВФХ?
7. Каким образом измеряется величина поверхностного заряда Qпс?
8. В чем сущность высокочастотного метода измерений вольт-
фарадных характеристик?
9. Объясните принцип измерения емкости МДП-структуры с по-
мощью высокочастотного моста.
10. Объясните принцип измерения низкочастотных характери-
стик МДП-структур.
на вид ВФХ?
мS
35
Лабораторная работа 3
ИЗУЧЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВЫХ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ
3.1. Цель работы
Определение основных параметров полевых транзисторов с затвором в виде МДП-структуры с помощью статических вольтамперных характеристик.
3.2. Теоретическое введение
На рис. 3.1 представлена схема полевого транзистора с затво ром в
виде МДП-структуры, подложкой n-типа и индуцированным каналом р-типа.
Рис. 3.1. Схема полевого транзистора с затвором в виде МДП-структуры
Прежде чем вывести соотношения для тока стока, напряжения
на стоке и напряжения на затворе, необходимо сделать определенные допущения, упрощающие в дальнейшем выражения для вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора.
1. Считаем полупроводник невырожденным и расчет концентра-
ции проводим по статистике Максвелла – Больцмана.
36
(и – исток; з – затвор; с – сток)
2. Подвижность в области канала – величина постоянная и не за-
висит от напряженности электрического поля в канале.
3. Канал полностью экранирован от стока, обратная связь между
каналом и стоком отсутствует.
4. Ток стока определяется только током в канале; токами утечки
пренебрегаем.
5. Диэлектрик затвора представляет собой совершенный изоля-
тор.
6. Паразитные сопротивления областей стока и истока не учиты-
ваются.
7. Изменение толщины канала по его длине считается плавным.
Вывод ВАХ начинается с составле ния баланса зарядов целиком
во всей системе металл–диэлектрик–полупроводник. Для простоты
можно считать, что заряды на ловушках в оксиде, заряды на поверхности полупроводника, ионизированные состояния на границе раздела, разность работ выхода металл–полупроводник объединены в
один заряд Q
– заряд поверхностных состояний. Обычно в системе
пс
кремний–диоксид кремния поверхностные состояния на границе
раздела действуют как ионизирован ные доноры, влияние которых
сказывается на изгибе зон так, как если бы к затвору было приложено положительное смещение. Таким образом, появление на границе полупроводник–диэлектрик положительного заряда приводит к
притеканию электронов из объема полупроводника к поверхности,
и положительно заряженные поверхностные состояния компенсируются отрицательным зарядом электронов.
На рис. 3.2, а изображена зонная диаграмма полупроводника в
области канала при условии отсутствия на затворе смещения, а баланс зарядов схематически изображен на рис. 3.2, б.
При подаче на затвор положительного смещения к поверхности
полупроводника будет подходить все большее количество электронов, что соответствует режиму обогащения.
Для того чтобы искривление зон на поверхности полупроводника
отсутствовало, необходимо на затвор подать отрицательное смещение такой величины, чтобы скомпенсировать заряд поверхностных
состояний. Этот случай носит название условия «плоских зон», при
котором ψS = 0 (рис. 3.3, а и б).
Увеличение отрицательного смещения на затворе приводит к
тому, что отрицательный заряд электронов уменьшается, электроны
будут оттесняться из области канала, то ведет к созданию в припо-
37
Рис. 3.2. Зонная диаграмма (а) и баланс заряда (б) в области канала
полупроводника при условии Uз = 0 (расшифровку буквенных
обозначений Ес, EF, Ei, Ev см. в подрисуночной подписи рис. 2.1)
верхностной области обедненного основными носителями слоя, заряд которого за счет ионизованных доноров будет положительным
(рис. 3.4, а и б).
Дальнейшее увеличение отрицательного смещения на затворе
приводит к такому искривлению энергетических зон, что сначала
уровень Ферми достигает середины запрещенной зоны (полупроводник переходит в область собственной проводимости, a ψS = ψв),
а затем на поверхности полупроводника индуцируется положительный заряд, происходит инверсия типа проводимости полупроводника (при ψS = 2ψв). Концентрация дырок на поверхности равна концентрации электронов в объеме.
На рис. 3.5, а изображена зонная диаграмма полупроводника для
случая инверсии, а на рис. 3.5, б представлен баланс зарядов, в котором общий заряд дырок в инверсионном слое, положительный заряд
доноров в ОПЗ и заряд поверхностных состояний компенсируют отрицательный заряд на затворе.
Если вернуться к рис. 3.1, то, очевидно, что только при определенных отрицательных смещениях на затворе между областями
стока и истока индуцируется канал р-типа проводимости, благо-
38
Рис. 3.3. Зонная диаграмма (а) и баланс заряда (б) в области канала
полупроводника при условии Uз < 0 («плоские зоны»)
Рис. 3.4. Зонная диаграмма (а) и баланс заряда (б) в области канала
полупроводника при условии Uз < 0 («обеднение»)
39
Рис. 3.5. Зонная диаграмма (а) и баланс заряда (б) в области канала
полупроводника при условии Uз < 0, ψ
2ψв («инверсия»)
S
даря которому основные носители области истока – дырки смогут
перемещаться в область стока. Отсюда вытекает понятие порогового
напряжения на затворе. Только при определенном (пороговом) напряжении на затворе (и при условии подачи на сток необходимого
смещения) в транзисторе может протекать заметный ток стока. Пороговое напряжение зависит от разности работ выхода ФмS, наличия
зарядов в диэлектрике и на границе раздела. Например, для кремния n-типа и затвора, изготовленного из алюминия, при типичной
концентрации примеси в кремнии 1016 см–3 разность работ выхода
ФмS = –0,3 В. При такой разности работ выхода электроны обогащают приповерхностный слой полупроводника. Аналогичный эффект
наблюдается и при наличии суммарного положительного заряда в
диэлектрике и на границе раздела. Учитывая эти факторы, можно
записать, что
æö
ç
U
=+ +
пор в м
ç
2
ψΦ
ç
ç
èø
Q
÷
пс
÷
, (3.1)
S
÷
÷
÷
С
д
где ФмS – разность работ выхода между полупроводником и металлом;
Cд – емкость диэлектрической пленки;
Q
– встроенный в оксид и на границе раздела полупроводник–
пс
диэлектрик заряд.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]