Лабник тверд эл

В МДП-транзисторе со встроенным каналом между стоком и истоком создана область с тем же типом проводимости – канал, сопротивление которого меняется при приложении напряжения к затвору. Это нормально открытый прибор (ток между стоком и истоком может протекать при нуле на затворе).

Наиболее широко используются МДП-транзисторы с индуцированным каналом. На них построены почти все современные интегральные схемы. Мы будем рассматривать МДП-транзистор с индуцированным p-каналом (рисунок 6.2).

В полупроводнике n-типа созданы сильнолегированные области p- типа – исток и сток (расстояние между ними – длина канала L). Над областью образования канала расположен затвор, отделенный от полупроводника диэлектриком (в кремниевых транзисторах в качестве диэлектрика используют обычно оксид кремния SiO2, в этом случае прибор называют МОП-транзистором).

При нулевом смещении на затворе ток между стоком и истоком будет равен току обратно смещенного p-n-перехода сток – подложка. Если на затвор подан отрицательный потенциал, электроны под действием электрического поля оттесняются от поверхности, а дырки – притягиваются. Таким образом, происходит смена проводимости приповерхностного слоя с n-типа на p-тип – инверсия типа проводимости. Между истоком и стоком возникает канал с тем же типом основных носителей, и при приложении напряжения Uси будет течь ток Iс. Напряжение на затворе Uзи, при котором меняется тип

полупроводника под затвором, называют

Энергетические зонные диаграммы полупроводника под затвором МДП-структуры приведены на рисунке 6.3. При отрицательном смещении на затворе энергетические зоны будут искривляться вверх тем сильнее, чем выше смещение.

Рис. 6.3. Зонные диаграммы полупроводника n-типа под затвором МДПструктуры

31

Концентрация электронов вблизи поверхности уменьшается, а концентрация дырок – возрастает (режим обеднения). Когда концентрация неосновных носителей превысит концентрацию основных (в данном случае электронов) произойдет инверсия проводимости. Но для того, чтобы проводящий канал был эффективен, концентрация дырок должна превысить равновесную концентрацию электронов в объеме полупроводника nn0 (рисунок 6.3 б). Напряжение затвора, соответствующее этому граничному режиму – пороговое. При Uз > Uпор существует индуцированный канал (это режим сильной инверсии). При положительном смещении на затворе энергетические зоны изгибаются вниз, концентрация электронов у поверхности возрастает (рисунок 6.3 в). Это режим обогащения (в SiO2 существует положительный заряд поверхностных состояний, поэтому при Uз =0 будет режим обогащения)

Пороговое напряжение:

где υs0 – поверхностный потенциал при граничных условиях сильной инверсии,

Qпов – заряд поверхностных состояний диэлектрика, Кл/см2, Qопз – заряд

емкость МДП-структуры, представляющей собой плоский конденсатор, Сз=εдε0/tд, Ф/см2, εд и tд – относительная диэлектрическая проницаемость и толщина подзатворного диэлектрика.

При протекании тока по каналу потенциал канала по мере приближения к стоку становится более отрицательным, поэтому разность потенциалов между затвором и полупроводником, индуцирующая подвижный заряд в канале, уменьшается по мере приближения к стоку. Толщина канала возле стока уменьшается, а ширина ОПЗ – растет. Из-за этого с ростом Uси наблюдается замедление роста Iс. При Uси = Uз – Uпор толщина канала у стока становится равной нулю, ток стока достигает насыщения (переход от крутого участка ВАХ к пологому). Передаточные ВАХ МДП-транзистора показаны на рисунке 6.4 а, выходные – на рисунке 6.4 б.

где коэффициент b – удельная крутизна, А/В2, b=μpWCз/L (L и W – длина и ширина канала).

32

Здесь Iс не зависит явно от Uс, но b увеличивается с ростом Uс за счет уменьшения длины канала.

Рис. 6.4. Передаточные и выходные ВАХ p-канального МДП-транзистора

Зависимость крутизны S от выходного тока Iс (в пологой области):

S = 2bIс .

На подложку может быть подано положительное напряжение Uпи. Тогда обратное смещение, приложенное к ОПЗ, возрастает до υs0+Uпи.

При домашней подготовке необходимо изучить принцип работы МДП-транзистора.

Предварительное расчетное задание

1. Провести расчет основных параметров МДП транзистора: Uпор, Сз,

b.

2. Рассчитать выходные ВАХ при Uз = Uпор и Uз = 2Uпор и передаточную ВАХ для области насыщения.

33

Данные к расчету

Материал – кремний, тип МДП-транзистора – p-канальный.

Nd=Nж∙1015 см –3,

1.Выполните измерение зависимостей тока стока от напряжения сток-исток при различных значениях напряжения затвора (не менее трех-пяти). Постройте выходные вольт-амперные характеристики транзистора.

2.Выполните измерения ВАХ при положительном и отрицательном смещении подложки.

Анализ результатов измерений

1.Перестройте передаточную характеристику, откладывая по оси ординат Iс1/2. Продолжение линейного участка до пересечения с осью абсцисс позволит найти Uпор, а наклон – удельную крутизну b.

2.Используя измерения передаточной характеристики, постройте зависимость крутизны передаточной характеристики от напряжения на затворе.

3.Используя выходную характеристику транзистора, снятую при максимальном Uз, рассчитайте сопротивление открытого канала.

4.Сравните экспериментально полученные ВАХ МДП-транзистора

срассчитанными, объясните различия.

Указания к отчету

Отчет должен содержать:

1.Титульный лист с названием работы, ф.и.о. студента и номер группы;

2.Расчет предварительного задания;

3.Схема измерения;

4.Таблицы экспериментальных данных и графики ВАХ.

5.Результаты анализа.

34

Контрольные вопросы

1.Как изменится крутизна МДП транзистора с индуцированным каналом, если длина канала увеличится?

2.Как изменится крутизна МДП транзистора, если возрастет ширина канала?

3.Почему в правильно включенном МДП транзисторе по мере приближения к стоку толщина канала уменьшается?

4.Почему изменение потенциала подложки оказывает влияние на вид вольт-амперных характеристик МДП транзистора?

5.Чем отличаются характеристики МДП транзистора с индуцированным каналом от характеристик транзистора со встроенным каналом?

35

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА

Лабораторный аппаратно-программный комплекс предназначен для исследования биполярных структур и позволяет исследовать основные статические характеристики диодов, стабилитронов и транзисторов. Он представляет собой автоматизированное рабочее место для 2-3 обучающихся. Комплекс условно состоит из двух основных частей: программной и аппаратной части. Программная часть преимущественно реализована на вычислительной базе персонального компьютера, где выполняется программная обработки результатов измерений, осуществляемых в реальном масштабе времени аппаратным измерительным блоком, выполненной в виде отдельного устройства.

В комплексе по изучению биполярных структур установка смещения осуществляется с помощью управляемого источника тока.

Структурная схема измерительного блока представлена на рисунке 7.1а. С помощью переключателя «Режим развертки «Х» устанавливается режим ручной или автоматической развертки. В первом случае напряжение управляется с помощью регулятора «Ручная» развертка. Пределы ручной регулировки составляет от +100В до -100В.

Рис 7.1а. Структурная схема лабораторного комплекса для исследования биполярных структур

36

Рис. 7.1б. Структурная схема лабораторного комплекса для исследования униполярных структур

В режиме автоматической развертки генератор линейно-нарастающего напряжения формирует низкочастотный сигнал пилообразной формы, который подается на усилитель с программируемым коэффициентом усиления, и затем поступает на вход высоковольтного усилителя. В зависимости от положения галетного переключателя «Масштаб «Х»» размах линейно-нарастающего напряжения на выходе усилителя может составлять 5В, 15 В, 50В, 100В. В., С выхода высоковольтного усилителя сигнал подается контакты разъема Р2, а также на управляемый аттенюатор и АЦП канала напряжения.

Измерительный щуп, подключаемый к разъему Р2, имеет три механических зажима:

КРАСНЫЙ провод соответствует выходу канала НАПРЯЖЕНИЯ; СИНИЙ провод соответствует входу каналу ТОКА; БЕЛЫЙ провод соответствует цепи СМЕЩЕНИЯ

Следует помнить, что даже при заземленном корпусе установки, линейно-нарастающее напряжение на выходе канала напряжения с амплитудой 50В и выше может быть опасно для жизни. При действующей установке категорически запрещается производить какие-то либо манипуляции с измерительным щупом (переключение или замена

37

исследуемых образцов и т.д.). Разрешается прикасаться к измерительному щупу только спустя 20 секунд после выключения установки, когда индикаторы контроля блока питания «+100В» и «-100В» полностью перестанут светиться. Также следует соблюдать осторожность при работе с нагревательным элементом, входящем в состав лабораторного комплекса, поскольку его открытые поверхности могут нагреваться до высоких температур, прикосновение к которым могут вызвать термический ожог.

В процессе исследования вольтамперной характеристики к измерительному щупу подключают исследуемый образец – один из контактов образца – двухполюсника, (например анод диода, стабилитрона). Другой контакт двухполюсника (например, катод) подключают к каналу тока. Если же объект исследования представляет сложный элемент – трехполюсник, то выход канала напряжения подключают исходя из требований эксперимента (например, при измерении выходных характеристик биполярного транзистора канал напряжения подключают к коллектору, канал тока – к эмиттеру, а смещение – к базе исследуемого транзистора). Возможные варианты подключения образцов представлены на рисунке 7.2.

1.Потенциометр установки напряжения на выходе канала напряжения (±100 В). Действует только в режиме ручной развертки.

2.Тумблер выбора режима развертки. В левом положении тумблера включается режим ручной развертки, в правом положении – автоматической развертки. Текущий режим индицируют светодиоды. В среднем положении тумблера развертка отключена.

3.Галетный переключатель управления программируемым усилителем канала напряжения. Задает амплитуду напряжения на выходе высоковольтного напряжения. Следует помнить, что при положении переключателя более ±15В напряжение на выходе канала напряжения может быть опасно для жизни.

4. Галетный переключатель управления программируемым усилителем канала тока. Задает масштаб усиления канала тока.

5.Панель блока питания индицируют контрольные напряжения блока питания. Следует помнить, что какие-либо манипуляции с измерительным щупом разрешаются только при отключении питания установки (тумблер

15)после полного прекращения свечения индикаторов «+100В» и «-100В».

6.Потенциометр установки смещения управляющего электрода исследуемых образцов. В случае изучения биполярных транзисторов потенциометр устанавливает ток базы.

38

Рис. 7.2. Возможные варианты подключения образцов к измерительному щупу

39

Рис. 7.3. Расположение органов управления измерительного блока комплекса исследования характеристик биполярных полупроводниковых

структур

7.Тумблер включения питания микроамперметра тока смещения. С целью снижения влияния сетевых помех питание прецизионного микроамперметра осуществляется от литиевой батареи, установленной на задней панели измерительного блока. Емкости литиевой батареи обеспечивает минимум один год непрерывной работы микроамперметра.

8.Прецизионный микроамперметр индицирующий значение тока (0-10 мA) смещения управляющего электрода.

9.Тумблер полярности включения микроамперметра. В левом положении тумблера устанавливается отрицательная полярность микроамперметра, в правом положении соответственно положительная полярность.

10.Регулятор установки динамического ограничения тока. Определяет максимальный ток, протекающий в положительной цепи питания (+100В) высоковольтного усилителя. Режим ограничения тока индицируется светодиодом «защита».

11.Регулятор установки динамического ограничения тока. Определяет максимальный ток, протекающий в положительной цепи питания (-100В) высоковольтного усилителя. Режим ограничения тока индицируется светодиодом «защита».

40