Лабраб / 1 / методички / ИЗУЧЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВАХ МДП ТРАНЗИСТОРА

- 2 -

Составители: доктор техн. наук К.О. Петросянц канд. техн. наук Н.И. Рябов канд. техн. наук И.А. Харитонов

УДК 681.324

Изучение статических вольт-амперных характеристик МДП транзистора и определение параметров его модели для схемотехнических расчетов. Метод. указания к лаб. работе по электронным и микроэлектронным курсам. /Моск. гос. и-т электроники и математики; Сост.: К.О. Петросянц, Н.И. Рябов, И.А. Харитонов. М., 2002 - 14 с.

Табл. 2 Ил. 8 . Библиогр.: 2 назв.

Даны краткие сведения о структуре, принципах работы, схемотехнических моделях и методах определения их параметров для биполярного транзистора.

Для студентов II - IV курсов факультетов, изучающих курсы электроники и микроэлектроники.

ISBN 5-230-16355-0

-3 -

1.ЦЕЛИ РАБОТЫ:

Целями лабораторной работы являются:

Изучение статических вольт-амперных характеристик МДП транзистора;

Изучение способов и определение параметров его модели для схемотехнических расчетов

Приобретение навыков работы с полупроводниковыми приборами;

Приобретение навыков расчета схем с помощью программы схемотехнического анализа РSPICE.

2.КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Уполевых транзисторов с изолированным затвором последний представляет собой металлический слой, изолированный от полупроводника тонкой диэлектрической пленкой. Наличие диэлектрика снимает ограничение на полярность смещения: она может быть как положительной, так и отрицательной, причем в обоих случаях ток затвора отсутствует. Структура таких транзисторов (металл — диэлектрик — полупроводник), как уже отмечалось, лежит в основе их названия: МДП транзисторы. В том весьма распространенном случае, когда диэлектриком является окисел (двуокись кремния), их называют МОП транзисторами (по-английски MOS).

Рис. 1. Структуры МДП транзисторов со встроенным (а) и индуцированным (б) каналами.

Две основные структуры МДП транзисторов показаны на рис. 1. Первая из них (рис. 1,а) характерна наличием специально осуществленного (встроенного или собственного) канала, проводимость которого модулируется смещением на затворе. В случае канала р-типа положительный потенциал UЗ «отталкивает» дырки из канала (режим обеднения), а отрицательный — «притягивает» их (режим обогащения). Соответственно прово-

- 4 -

димость канала либо уменьшается, либо увеличивается по сравнению с ее значением при нулевом смещении. Вторая структура (рис. 1,б) характерна отсутствием структурно выраженного канала. Поэтому при нулевом смещении на затворе проводимость между истоком и стоком практически отсутствует: исток и сток образуют с подложкой встречно-включенные р-п переходы. Тем более не может быть существенной проводимости между истоком и стоком при положительной полярности смещения, когда к поверхности полупроводника притягиваются дополнительные электроны. Однако при достаточно большом отрицательном смещении, когда приповерхностный слой сильно обогащается притянутыми дырками, между истоком и стоком образуется индуцированный (наведенный полем) канал, по которому может протекать ток. Значит, транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения. В настоящее время этот тип транзисторов имеет наибольшее распространение.

Характеристики и параметры. Рассмотрим самую простую аппроксимацию вольт-амперной характеристики в крутой области, которой удобно пользоваться при инженерных расчетах:

где удельная крутизна транзистора рассчитывается по формуле:

L,W - длина и ширина канала, соответственно, d, 0 D - толщина и диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика, - подвижность носителей заряда.

Такая аппроксимация всегда действительна при малых стоковых напряжениях. При больших стоковых напряжениях аппроксимация (1) действительна лишь в случае достаточно тонких слоев диэлектрика и высокоомных подложек с малой концентрацией примеси.

Из выражения (1) легко найти напряжение насыщения, полагая dIС/dVСИ=0:

Значение тока IС(VСН) сохраняется при всех значениях VСИ>VСН. Поэтому, подставляя (3) в (1), получаем вольт-амперную характеристику МДП транзистора в режиме насыщения:

Для учета эффекта модуляции длины канала в модель вводится дополнительный множитель, зависящий от параметра lambda:

В усилительной технике МДП транзисторы обычно используются в режиме насыщения, поскольку ему свойственны наименьшие нелинейные искажения и оптимальные значения дифференциальных параметров: крутизны S=dIС/dVЗИ внутреннего сопротивления Ri= VСИ/ IС и собственного коэффициента усиления = VСИ/ VЗИ Эти параметры связаны между собой «ламповым» соотношением:

(черточка под призвана отличить данный параметр от подвижности). Крутизна в режиме насыщения легко определяется из выражения (3):

Как видим, крутизна линейно зависит от эффективного напряжения на затворе VЗИ-Vto, а при заданном эффективном напряжении пропорциональна параметру kp. Название последнего (удельная крутизна) обусловлено тем, что при VЗИ-Vto=1 В величина kp W/L численно равна крутизне в режиме насыщения. Вообще же параметр kp W/L является производной

2IС/ VЗИ VСИ т. е. характеризует кривизну функции IС(VЗИ,VСИ). Крутизна МДП транзистора однозначно связана с током. Эту связь легко установить с помощью выражений (4) и (7):

Из выражения (2) ясно, что крутизна МДП транзистора возрастает с уменьшением толщины диэлектрика d, а также с увеличением ширины канала W. Однако оба эти фактора одновременно способствуют увеличению емкости между затвором н каналом, которая описывается выражением:

-6 -

Вотличие от крутизны внутреннее сопротивление и коэффициент усиления МДП транзистора не могут быть определены из выражения (4), поскольку оно не содержит напряжения VСИ.

Рис. 2 рабочие точки МДП транзистора в ключевом режиме.

Разумеется, в области достаточно больших напряжений VСИ наступают предпробойные явления, а затем и пробой, сопровождающийся резким возрастанием тока IС и столь же резким уменьшением сопротивления Ri. Заметим, что пробой может иметь место не только в стоковом р-п переходе, но также и в диэлектрике (между стоком и затвором).

В импульсных схемах МДП транзистор работает в качестве ключа и основной интерес представляют две крайние рабочие точки, соответствующие запертому и максимально открытому состоянию ключа (рис. 2).

Запертое состояние (точка 1) характеризуется условием VЗИ<<Vto. При этом в цепи стока протекает лишь некоторый остаточный ток, обусловленный утечками по поверхности, а также обратным током р-п перехода стока (если подложка находится под нулевым или положительным потенциалом). В качественных МОП транзисторах этот ток не превышает нескольких наноампер.

Максимально открытое состояние ключа (точка 2) характерно большими значениями VЗИ-Vto и расположением рабочей точки на крутом участке соответствующей вольт-амперной кривой. Обычно в открытом состоянии ток IС оказывается заданным внешней цепью, а интерес представляет остаточное напряжение VСИ0. Это напряжение легко определить из формулы (1), однако в общем виде выражение получается громоздким. На

- 7 -

практике остаточное напряжение настолько мало, что в формуле (1) можно пренебречь членом (1/2)VСИ2. Тогда:

Выражение (9) действительно при условии VЗИ-Vto>(2-3)VСИ0. Еще одним параметром, важным для характеристики открытого ключа, является сопротивление на начальном участке кривой IС(VСИ). Дифференцируя (1) по VСИ, получаем дифференциальное выходное сопротивление транзистора в ненасыщенном режиме:

Если положить VСИ<<VЗИ-Vto, получим искомое сопротивление открытого ключа:

Это же выражение можно получить непосредственно из формулы (10). Поскольку при малых значениях VСИ сечение дырочного слоя и концентрация дырок в нем почти не зависят от х, величину R0 обычно называют сопротивлением канала.

Из (10) и (12) очевидно, что остаточное напряжение на МДП транзисторном ключе имеет чисто «омическое» происхождение:

VСИ0=IСR0

Это обстоятельство является важным преимуществом МДП транзисторов, так как в случае биполярных транзисторов даже при нулевом токе имеется вполне конечное остаточное напряжение.

Модель МДП транзистора в программе SPICE

В программе PSPICE модель МДП-транзистора первого уровня (level=1) использует следующие выражения: в крутой области характеристик - (1), в пологой области: (5).

Определение основных параметров модели

Определение порогового напряжения "Vto".

Снимаются входные вольт-амперные характеристики транзистора IC=f(VЗИ) при напряжении на стоке -0.5 Вольт (рис. 4).

- 8 -

На зависимости IC=f(VЗИ) найти такое напряжение, при котором появляется ток порядка -10 мкА. Это напряжение будет являться пороговым.

Определение параметра, характеризующего крутизну транзистора

"kp".

Дифференцируем уравнение (1) по напряжению VЗИ:

Принимаем отношение W/L равным 10. На кривой IC=f(VЗИ) выбираем две точки. Получаем VЗИ и IC. По этим точкам и выражению (13) находим "kp".

Определение параметра, характеризующего модуляцию длины канала транзистора "lambda".

Для определение параметра "lambda" по выходным характеристикам, снятым по схеме рис. 5, дифференцируем выражение (11) по напряжению

VСИ:

На кривой IС=f(VСИ) (соответствующей наибольшему по модулю VЗИ) выбираем две точки. По выражению (14) определяем параметр "lambda".

- 9 -

ОПИСАНИЕ СТЕНДА.

Рис. 3. Блок стенда, на котором выполняется работа.

Работа выполняется на универсальном стенде в лаборатории электроники кафедры Э и Э. Исследуемые цепи собираются на основе одного из блоков стенда (рис. 3) и внешних измерительных приборов: вольтметров, амперметров.

4.РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ.

1Снятие входных вольт-амперные характеристики транзистора IC=f(VЗИ) при напряжении на стоке -0.5 Вольт.

ПРИМЕЧАНИЕ: Все напряжения меньше нуля, тк транзистор р- канальный!!

Заполняется таблица:

- 10 -

Рис. 4 Снятие входных вольт-амперных характеристик транзистора.

Построить зависимости IC=f(VЗИ)

Рис. 5 Определение порогового напряжения Vto и крутизны kp.

Определить пороговое напряжения транзистора "Vto" и крутизну "kp" по формуле (13).

2. Снятие выходных вольт-амперных характеристик транзистора IС=f(VСИ)