Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы электроники полевые приборы. Лабораторный практикум

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 65 6 > Следующая >>>

Например, для кремния n-типа и затвора, изготовленного из алюминия, для типичной концентрации примеси в кремнии 10 значение Ф

= –0,3 В.

мn

см–3

Потенциал на поверхности ψS = 2ψв рассчитывается исходя из концентрации примеси в полупроводнике. При приложении такого потенциала к поверхности полупроводника образуется слой объемного заряда толщиной

W :

ОПЗ

max

éù

εε ψ

()

êú

max

êú

ëû

1 2

. (3.2)

Исходя из ширины области пространственного заряда в полупроводнике рассчитывается накопленный на единицу площади заряд

ОПЗ

QqWN qNεε ψ

ОПЗ ОПЗ 0 п в

max

éù

ëû

1 2

()

. (3.3)

Для сохранения заряда Q –Q

на металлическом затворе, соответствующее ему напряжение

ОПЗ

в обедненном слое требуется заряд

ОПЗ

на

затворе

ОПЗ

- .

Если известны параметры полупроводникового материала и экспериментально определено U

, то можно рассчитать заряд в диэ-

пор

лектрике и на поверхностных состояниях Qпс.

Если в транзисторе образован канал, то при протекании тока стока конечное сопротив ление канала вызывает на нем падение напряжения, так что при приложении Uс потенциал в произвольной точке канала y будет равен U(y). Если все напряжение, приложенное к затвору, падает на диэлектрике, электрическое поле в диэлектрике можно выразить через разность потенциалом между затвором и каналом:

()UUy

= . (3.4)

Поскольку в схеме с общим истоком потенциал в канале у истока равен 0, а потенциал у стока Uс, электрическое поле около истока будет больше, чем около стока. Электрическое поле в диэлектрике индуцируется соответствующим электрическим зарядом, поэтому канал у истока будет толще, чем у стока.

При постоянном напряжении на стоке Uс = const не меняется и

потенциал канала U(y). Изменение напряжения на зат воре меняет

Eд, а следовательно, толщину канала. Таким образом, подавая на за-

твор переменный сигнал, можно модулировать количество носителей заряда в области канала, а, следовательно, и проводимость канала, управляя таким образом током канала.

Ток канала I

определяется плотностью тока jк(x, y), протекающе-

го через поперечное сечение zdx (см. pиc. 3.1). Плотность тока j(x, y) зависит от координат х и у, поскольку определяется полем в направлении «у» – Ey и зависит от проводимости канала σх, которая является функцией его толщины х:

Izjx,ydx=

кк

где

qpxdxò– подвижный заряд дырок на единицу площади;

()

jx,y E q pxEσμ== ,

() ()

к xy p y

IzqpxEdxzqEpxdxμμ==

к рy py

òò

() ()

Iz qpxdx

μ=

к p

()

, (3.5)

()

обозначим его Qр.

Этот заряд находим из баланса всех зарядов в МДП-структуре:

Qз + Qпс + Qр + Q

= 0. (3.6)

ОПЗ

Заряд на затворе определяется с помощью теоремы Гаусса, со-

гласно которой интеграл по площади от величины электрического

поля определяется величиной наведенного заряда

EdS

εε

выражение (3.1) с учетом

, а

E dS E zdy E zL==

ддд

òò

можно переписать в виде

(3.7)

или

диэлектрика.

()

(Uз – U(y)), где

εε

zL Q

, (3.8)

εε

– полная емкость

UUy

Поскольку в баланс зарядов (3.6) входят удельные заряды, т.е. заряды на единицу площади, окончательно

εε

где

= – удельная емкость диэлектрика.

= Сд(Uз – U(y)), (3.9)

Из баланса зарядов следует, что заряд дырок в инверсном слое равен

() ()

qpxdxQ U UyC Q Q==-- - +ò. (3.10)

[]( )

здОПЗпс

Подставляя (3.10) в выражение для тока канала (3.5), интегрируя и преобразуя его в предположении, что при напря жении на затворе меньше порогового ток канала равен 0 и падение напряжения в канале U(y) также равно 0, получаем зависимости тока канала от напряжений на стоке и затворе. Ток канала является током стока, который равен

éù êú

IUUUU UUβ

=- ---

()

сзпорси си

êú

ëû

()

. (3.11)

Для схемы с общим истоком Uи = 0, поэтому

éù

где

βμ= , здесь z – ширина, L – длина канала.

êú

IUUUUβ

=- -

()

сзпорсс

êú

ëû

, (3.12)

Из уравнения (3.12) следует, что простая модель транзистора с постоянным значением плотности заряда в обедненной области верна лишь для малых напряжений затвора и стока. При малых

Uс, когда Uс < (Uз – U

, участок ВАХ, описываемый уравнени-

пор)Uс

ем (3.12), называется квазилиней ным, сле довательно, между током стока и напряжением на стоке почти ли нейная зависимость

εε

д0

При увеличении U

IUUU

сзпорс

падение напряжения на участке канала

éù

()

êú

ëû

. (3.13)

вблизи стока увеличивается и поэтому уменьшается величина электрического поля Е

, индуцирующего заряд Qз и, следовательно, Qp

в канале. Канал обедняется неосновными носителями и проводимость его падает. Умень шение проводимости канала приводит к переходу транзистора в пологую область ВАХ, которая называется также областью насыщения тока стока. При некоторых напряжениях на стоке электрическое поле Ед в слое диэлектрика окажется недостаточным для наведения заряда Qp в области канала, и заряд в полупроводнике представляет собой заряд области пространственного заряда – Q

. Канал перекрывается и вольт-амперные

ОПЗ

характеристики переходят в режим насыщения. Величина тока стока остается постоянной, так как приращение напряжения на стоке приводит только к увеличению напряжения в обедненной области канала (вблизи стока), падение напряжения на самом канале остается без изменения и равно U

. Величина тока стока определя-

с нас

ется проводимостью канала на участке между истоком и областью перекрытия. Ток стока в ка нале определяется механизмом дрейфа носителей заряда в канале в продольном электрическом поле Ex, а в области пространствен ного заряда канала неосновные носители – дырки движутся так же, как в обедненной области коллекторного перехода биполярного транзистора, т.е. инжектируются из области канала в обеднен ную область, а затем вытягиваются сильным электрическим полем в области стока.

На рис. 3.6 представлена схема изменения конфигурации канала в зависимости от приложенного к стоку смещения при постоянном напряжении, поданном на затвор. Напряжение на стоке, при котором происходит отсечка канала и ток стока выходит на насыщение, можно определить, воспользовавшись условием отсутствия заряда в области канала Qр = 0 = Cд(Uз – U этому U

= Uз – U

с нас

. Подставляя это значение напряжения в вы-

пор

– Uс), при этом Uс = U

пор

с нас

и по-

ражение для тока стока (3.13), получаем величину тока насыщения

с нас

CUU

μ -

()

ззпор

, (3.14)

Рис. 3.6. Конфигурация канала в зависимости от напряжения,

приложенного к стоку, при постоянном напряжении на затворе

откуда видно, что ток стока не зависит от напряжения на стоке. На рис. 3.7 представлены вольт-амперные характеристики МДПтранзистора, построенные при различных напряжениях на затворе. При возрастании по абсолютной величине напряжения на затворе, когда в области канала индуцируется возрастающий положительный заряд дырок, все характеристики сдвигаются в сторону увеличения тока стока. Наименьшим током будет ток при напряжении на затворе, равным пороговому. Пороговым напряжением называется напряжение на затворе, обеспечивающее ток стока, равный 10 мкА.

Основным параметром транзистора, определяющим его усилительные свойства, является крутизна. Крутизна представляет собой отношение малого приращения тока стока к напряжению на затворе, которое обеспечивает данное изменение тока:

. (3.15)

constU

Рис. 3.7. Семейство выходных вольт-амперных характеристик МДП-транзистора

Дифференцируя выражение (3.9), получаем

sUU

μεε

()

зпор

. (3.16)

Анализируя полученное выражение, можно видеть, что крутизна определяется конструкцией самого транзистора, в частности, отношением ширины канала к его длине, толщиной диэлектрика dд и напряжением на затворе Uз.

Крутизна для крутой области характеристик определяется исходя из уравнения тока стока (3.13) в этой области:

μεε

. (3.17)

В этой области крутизна не зависит от напряжения на затворе, а определяется только напряжением стока.

Динамическая проводимость канала gк находится исходя из урав-

нений для тока стока (3.13):

gUUU

==- - -

кзпорс

UdL

εε¶

с0

éù

()

êú

ëû

. (3.18)

Крутизну можно найти из экспериментальных зависимостей тока

стока от напряжений на затворе (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Зависимость тока стока Iс (1) и (|Iс|)

на затворе МДП-транзистора

1/2

(2) от напряжения

При включении транзистора с замкнутыми между собой стоком и затвором, когда |Uс| = |Uз|, он работает в пологой области характеристик

IsUU=-. (3.19)

()

сзпор

Экстраполяция этой прямой на ось напряжений Uз позволяет найти пороговое напряжение, а наклон прямой соответствуют крутизне. Для двух точек ВАХ

отсюда

сзпор

IsUU=-, (3.21)

сзпор

()

,IsUU=- (3.20)

æö

сс

зз

èø

. (3.22)

Следовательно, крутизну характеристики можно рассчитать по двум измерениям тока стока на пологом участке вольт-амперной характеристики или непосредственно из графика зависимости

IfU= .

()

сз

3.3. Описание измерительной установки

Измерение ВАХ полевых транзисторов проводится с помощью системы NI ELVIS II (рис. 3.9).

1 – ноутбук; 2 – USB кабель; 3 – настольная рабочая станция NI ELVIS II;

4 – макетная плата; 5 – блок питания; 6 – сетевой шнур питания

Рис. 3.9. Система NI ELVIS II:

NI ELVIS II использует приборы, разработанные в программной среде LabVIEW, специально спроектированную настольную рабочую станцию и макетную плату, которые обладают функциональностью комплекта наиболее распространенных лабораторных приборов.

Питание NI ELVIS II и ноутбука, входящего в состав установки осуществляется переменным током напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

3.4. Задание

ВНИМАНИЕ! Перед измерениями всех параметров и характеристик определить полярность подаваемых напряжений на затвор и сток в зависимости от типа проводимости канала.

1. Определить пороговое напряжение U

стора. Для оценки U

следует воспользоваться справочными дан-

пор

ными.

2. Измерить семейство выходных ВАХ. Для этого подать на затвор напряжение, превышающее пороговое U задавать через 0,5 В до напряжения, обеспечивающего наличие линейного и пологого участков ВАХ.

3. Повторить все измерения при других значениях напряжения на затворе, задавая напряжение на затворе через 1 В или 2 В.

4. Измерить зависимость тока стока от напряжения на затворе (переходная ВАХ ПТ МДП) при постоянном значении напряжения на стоке. Измерения провести через 1 В и повторить их при различных напряжениях на стоке.

5. По измеренным характеристикам определить пороговое напряжение U

пор

6. Измерить крутизну испытуемого транзистора при различных напряжениях на стоке транзистора и при различных напряжениях на затворе. Напряжение на стоке задавать через 0,5 В.

Повторить все измерения при других напряжениях на затворе,

изменяя его через 1 В, 2 В.

7. Измерить крутизну испытуемого транзистора при различных напряжениях на затворе, задавая их через 1 B и повторить их при различных напряжениях на стоке, задавая их через 2 В.

8. Перестроить зависимость тока стока от напряжения на затворе

IfU= при двух напряжениях на стоке в зависимость

()

сз

IfU= и экстраполяцией полученных зависимостей на ось на-

()

сз

пряжения определить пороговое напряжение.

Из наклона характеристики

IfU= определить значение β,

()

сз

сравнить его со значением β, полученным из соотно шения (3.12), подставляя в него измеренные Uз и U

пор

9. Оценить соотношение геометрических размеров транзистора z/L, принимая, что известны толщина слоя оксида (для SiO2 при- мерно 150 нм), его диэлектрическая проницаемость εд = 3,8 Ф/м и подвижность носителей заряда, например, в области р-канала

испытуемого транзи-

пор

. Напряжение на стоке

пор

μp = 180…200 см2/(В·с) для кристаллографической ориентации [100], μ

= 240…250 см2/(В·с) для кристаллографической ориентации [111].

10. Рассчитать крутизну характеристики полевого транзистора путем графического дифференцирования передаточных характеристик при различных значениях напряжения стока. Сравнить полученное зна чение с измеренной величиной крутизны при тех же значениях напря жения на стоке.

11. Получить измерительную схему ВАХ полевого транзистора.

3.5. Порядок выполнения работы и указания по технике безопасности

При выполнении работы следует руководствоваться указаниями по технике безопасности, представленными в начале лабораторного практикума.

1. Собрать на макетной плате схему измерения ВАХ полевого

транзистора, выданную лаборантом, в режиме вольтметра (рис. 3.10).

2. Включить ноутбук в сеть.

3. Включить плату в сеть.

4. В «Пуске» выбрать программу NI ELVISmx Instrument Launcher.

5. В этой программе выбрать вкладки DMM (Digital Multimeter) и

VPS (Variable Power Supplies).

6. В окне VPS установить напряжение на затворе Uз согласно за-

данию, учитывая его полярность. Нажать кнопку Run.

7. В окне DMM нажать кнопку Run. В режиме V установить с помощью ручки резистора на собранной схеме необходимое по заданию напряжение на стоке Uс.

8. Поменять на схеме измерения ВАХ вольтметр на амперметр.

9. В окне DMM поменять режим на А .

10. Записать полученный ток стока I

11. Снова поменять на схеме измерения ВАХ амперметр на вольтметр.

12. В окне DMM поменять режим на V . С помощью ручки резистора установить следующее значение Uс.

Для проведения математической обработки результатов эксперимента необходимо провести измерения Iс от Uс при одном из напряжений на затворе не менее трех раз.

Примечание. В окнах открытых программ для изменения U чала нажать Stop. После изменения напряжения на затворе снова в двух окнах нажать Run.

13. То же самое проделать с другим транзистором (рис. 3.11).

с.

сна-

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 65 6 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]