системы требует экспериментального определения величины

Uз и S .

Порядок выполнения работы

1. Снять выходную ВАХ МОП транзистора для нескольких значений напряжения на затворе.

2. Снять передаточную ВАХ транзистора в области

Uз =(0,5 ÷2)U0 .

3. Повторить пп. 1–2 для структур после воздействия ионизирующего излучения (3 дозы).

Обработка результатов

1.Вычислить изменение напряжения на затворе при постоянном токе стока.

2.Вычислить изменение крутизны по передаточной характеристике.

3.Вычислить заряды δQot и δQit .

4.Сравнить значение крутизны в пологой области и обратную величину сопротивления канала в крутой области.

5.Подобрать аппроксимацию в виде экспоненциальной

функции для описания зависимости Iс (Uз ) при Uз <U0 .

Требования к отчету

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

•титульный лист;

•краткое описание порядка выполнения работы;

•пояснение методики разделения зарядов в окисле и на поверхностных состояниях;

•выходные и передаточные характеристики исследуемых приборов;

•графики зависимости эффективных плотностей заряда

δNot и δNit от дозы;

57

• анализ полученных результатов с указанием возможных ошибок в определении физических параметров структур.

Контрольные вопросы

1.Как связаны крутизна и проводимость канала в крутой области?

2.Как изменяется заряд поверхностных состояний в зависимости от положения уровня Ферми около поверхности?

3.Объясните механизм образования положительного заряда

вокисле при воздействии ионизирующего излучения.

4.Какие параметры МОП-транзистора изменяются при облучении?

5.Как изменяется подвижность носителей в канале от напряжения на затворе?

Рекомендуемая литература

1. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.

58

Работа 7

УПРАВЛЕНИЕ МОП-ТРАНЗИСТОРОМ ПО ПОДЛОЖКЕ В ПОДПОРОГОВОЙ ОБЛАСТИ

Цель работы: исследование подпорогoвых характеристик МОП структуры при управлении смещением на подложке.

Теоретическая часть

Подпорогoвая область работы МОП-транзистора соответствует слабой инверсии области канала, когда напряжение на затворе ниже порогового. В условиях слабой инверсии основной компонентой тока канала является диффузионная составляющая. В произвольном сечении n-канала плотность диффузионной составляющей тока равна

где jдиф – плотность тока; q – заряд электрона; Dп – коэффициент диффузии; п – концентрация электронов; х – координата вдоль канала. Интегрируя (7.1) по сечению канала, нетрудно получить величину диффузионного тока

где W – ширина канала; Qn – плотность заряда в канале на единицу площади. С учетом соотношения Эйнштейна D =ϕT μn последнее выражение можно переписать

где ϕT = kT / q ; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура. Интегрируя (7.3) по длине канала, находим

где L – длина канала; QnL и Qn0 – удельный заряд электронов в канале у стока и истока.

59

Заряд электронов, индуцированный в канале, связан с напряжением на затворе и поверхностным потенциалом следующим образом:

где C0 – удельная емкость затвора; Uзп – потенциал на затворе относительно подложки; Uпз – напряжение плоских зон; ϕS – поверхностный потенциал; γ – коэффициент влияния подложки.

Удельная емкость затвора равна

ческая проницаемость вакуума; d – толщина подзатворного окисла. Напряжение плоских зон зависит от эффективного заряда в окисле и разности работ выхода металлизации затвора и кремния

разность работ выхода материала затвора и полупроводника. Ко-

где εSi – диэлектрическая проницаемость кремния; Nа – концентра-

ция акцепторных примесей в подложке. Подставляя соотношение (7.5) в выражение (7.4), нетрудно получить

где ϕF – потенциал Ферми; Uип – потенциал исток–подложка; Uсп – потенциал сток–подложка. Потенциал Ферми равен

60

где пi – концентрация собственных носителей в полупроводнике. Уравнения (7.10) и (7.11) могут быть решены численными методами.

Схема включения МОП-транзистора в электрическую цепь показана на рис. 7.1. Все напряжения отсчитываются от истока, потенциал которого принимается за нуль.

Рис. 7.1. МОП-транзистор с п-каналом. Напряжения на выводах отсчитываются от истока

Полученные выше соотношения используются для описания подпороговой области в обычном включении МОП-транзистора: переходы сток–подложка и исток–подложка смещены в обратном направлении. Если же переход исток–подложка имеет прямое смещение, а переход сток–подложка, как и прежде, закрыт, то подпороговый ток сильно возрастает за счет инжекции электронов из истока. Концентрация электронов у поверхности на границе с истоком в этом случае равна

где n0 = ni2 / Na – равновесная концентрация электронов в подлож-

ке.

Если переход сток–подложка имеет отрицательное смещение, то поверхностная концентрация электронов у стока оказывается равной

61

Если ввести понятие эффективной площади канала A =YканW , где Yкан – толщина области канала, то диффузионная составляющая тока может быть записана следующим образом:

Напомним, что в (7.15) входят объемные концентрации электронов у истока и стока. Так как концентрация электронов экспоненциально уменьшается при уменьшении потенциала по мере удаления от поверхности, то эффективная толщина канала равна расстоянию, на котором потенциал уменьшается на ϕТ. Следовательно, эффективная толщина канала равна ϕТ/ЕS, где ЕS – поверхностное электрическое поле. Это поле в режиме слабой инверсии определяется выражением

Так как поверхностные потенциалы у стока и истока в рассматриваемом режиме отличаются незначительно, то потенциал ϕS 0 ϕSL , и последнее соотношение можно переписать следую-

щим образом:

Напомним, что поверхностный потенциал у истока определяется соотношением (7.10).

Из соотношения (7.18) следует, что в подпороговой области ток стока экспоненциально увеличивается с ростом напряжения на за-

62