ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.04.2025
Просмотров: 265
Скачиваний: 0
Лабораторная работа № 5
Исследование статических характеристик полевого транзистора с управляющим pn-переходом
Цель работы: изучение принципа работы полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.
Полевые транзисторы – униполярные полупроводниковые приборы, в которых ток переносится носителями одного знака, а принцип работы состоит в изменении сопротивления проводящей области (канала) при приложении поперечного напряжения.
В полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом (ПТУП) сопротивление канала изменяется за счет расширения области пространственного заряда (ОПЗ) p-n- перехода при приложении к нему обратного напряжения. На рисунке 5.1 показаны условные обозначения ПТУП-транзисторов и структура n-канального ПТУП.
Концентрация легирующей примеси в затворных областях выше, чем в области канала, поэтому ОПЗ будет распространиться главным образом в канал. Если напряжение
между стоком и истоком Uси = 0, ОПЗ будет перекрывать канал равномерно по всей длине. Напряжение на затворе, при котором ОПЗ p-n-переходов сомкнутся, перекрыв путь
для протекания тока между стоком и истоком, называется напряжением отсечки Uз. отс.
затвор |
||||||
сток |
исток |
сток |
||||
W |
сток |
|||||
затвор |
p |
+ |
затвор |
|||
ОПЗ |
||||||
d0 |
L |
n |
исток |
|||
исток |
||||||
p |
ОПЗ |
|||||
– |
||||||
n-канальный |
p-канальный |
|||||
Рис. 5.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
Приравняв lопз к половине толщины канала без приложения напряжения (d0/2), и
учитывая, что Nd <<Na (для n-канального ПТУП), найдем напряжение отсечки:
Uз. отс = |
qNd d0 |
2 |
k |
(5.1) |
8εε0 |
||||
(здесь и далее абсолютная величина Uз и Uс).
При подаче напряжения между стоком и истоком обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу в области стока, равно сумме приложенных напряжений
U = Uз+Uс, поэтому канал перекрывается неравномерно, сужаясь по направлению к стоку.
Когда сумма напряжений Uз+Uс достигнет напряжения отсечки, канал перекроется областью пространственного заряда, тем не менее, ток между стоком и истоком будет течь, поскольку электрическое поле перебрасывает носители заряда через ОПЗ.
Для ПТУП рассматривают выходные (рисунок 5.2,а) ВАХ (выходом является сток) и передаточные (рисунок 5.2, б) ВАХ (зависимости тока выхода от напряжения на управляющем электроде – затворе).
Iс |
линейная |
Iс |
|||
область |
|||||
Iсмax |
Iс нас, Uс |
Uз=0 |
Iс |
||
Uз |
U > U |
||||
с отс |
|||||
U |
2 |
||||
з2 |
|||||
область насыщения |
Uз3 |
||||
Uс |
|||||
Uотс |
Uпроб U |
||||
с |
Uотс |
U |
|||
зи |
|||||
а |
б |
Рис. 5.2. Выходные передаточные ВАХ ПТУП
При малых напряжениях на стоке Uс << Uотс форма канала практически не изменяется, транзистор представляет собой резистор, сопротивление которого зависит от напряжения на затворе: R = ρ∙L /(W∙d), где ρ – удельное сопротивление, L – длина канала,
W – ширина канала, d – толщина канала, зависящая от Uз. Выходная ВАХ представляет собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе.
По мере увеличения напряжения на стоке, сечение канала уменьшается возле стока.
Сопротивление канала увеличивается, рост тока замедляется. При Uз + Uс = Uотс канал перекрывается ОПЗ, рост тока прекращается (в идеале), наступает насыщение ВАХ.
В линейной области ВАХ ток стока связан с напряжением на затворе и стоке следующим соотношением:
I |
1 |
U |
2 |
( k |
U зи U си )3 2 ( k |
U зи )3 2 |
||||||
, |
(5.2) |
|||||||||||
c Rk 0 |
си |
3 |
1 2 |
|||||||||
( |
k U |
|||||||||||
отс ) |
||||||||||||
где Rk0 – сопротивление полностью открытого канала. Зависимости Iс(Uс) представляют собой кривые параболического типа c экстремумом (Iс нас) при Uз+Uс = Uотс. После достижения насыщения ток стока можно считать постоянным, равным Iс нас.
Ток стока насыщения будет максимальным при Uз = 0. Максимальный ток стока
можно рассчитать по упрощенной формуле: |
Iс max ≈ Uотс / (3R0). Тогда ток стока |
||||||
насыщения: |
|||||||
U |
2 |
||||||
Ic |
Ic max |
1 |
зи |
(5.3) |
|||
Uотс |
|||||||
По этой формуле рассчитывается передаточная характеристика в области насыщения.
Одним из основных параметров полевого транзистора, характеризующих его
усилительные свойства, является крутизна передаточной характеристики,
определяемая как S =dIс/dUз при Uс=const. Крутизна в области насыщения ВАХ (используемой в усилительном режиме работы) равна:
S = |
2Iс max |
1 |
Uз |
. |
(5.4) |
||
U отс |
U отс |
||||||
Вторым важным параметром полевого транзистора считается проводимость канала в линейной области ВАХ, определяемая как gк = dIс/dUс при Uз = const.
При домашней подготовке необходимо изучить принцип работы ПТУП ([1] – с. 146153, [3, 4]).
Предварительное расчетное задание
1.Провести расчет основных параметров полевого транзистора: Uотс, R0, Iс max, S
(Uз = 0).
2.Рассчитать выходные ВАХ при Uз = 0 и Uз= 0,5 Uотс и передаточную ВАХ для области насыщения.
Данные к расчету |
|
Материал – кремний, тип ПТУП – n-канальный. |
|
Концентрация атомов примеси в подзатворной области |
Nа =1018 см –3. |
Концентрация атомов примеси в канале |
Nd = Nж∙1016 см –3, |
где Nж – номер фамилии студента в журнале группы. |
|
Толщина канала |
d0 = 1 мкм. |
Длина канала |
L = 20 мкм. |
Ширина канала |
W = 500 мкм. |
Подвижность электронов в канале |
μn = 1200 см2/(В∙с). |
Рабочее задание |
1.Запишите марку транзистора. По справочнику установите тип его канала. Запишите в журнал предельные параметры, рабочие параметры, а также рекомендуемый производителем рабочий режим транзистора (если такие рекомендации имеются).
2.Выполните измерение зависимостей тока стока от напряжения исток-сток
при Uз = 0 (тщательно измерить начальный участок от 0 до 1 В); при Uз = Uотс; при трех промежуточных напряжениях затвора. Постройте выходные вольт-амперные
характеристики транзистора.
3. Задав напряжение исток-сток, соответствующее пологой области характеристик и поддерживая его постоянным, измерьте и постройте зависимость тока стока от напряжения затвора (передаточную характеристику).
Анализ результатов измерений
1.Используя выходную характеристику транзистора, снятую при Uз = 0, рассчитайте сопротивление полностью открытого канала R0.
2.Используя измерения передаточной характеристики, постройте зависимость
крутизны передаточной характеристики S = Iс/ΔUз от напряжения на затворе.
3. Сравните экспериментально полученные ВАХ полевого транзистора с управляющим р-n-переходом с рассчитанными, объясните различия.
Контрольные вопросы
1.Как зависит ток стока полевого транзистора с управляющим р-n-переходом от напряжения на затворе?
2.Как изменится вид выходных ВАХ полевого транзистора с управляющим р-n- переходом, если возрастет длина канала, а все остальные параметры останутся неизменными?
3.Как изменится вид выходных ВАХ полевого транзистора с управляющим р-n- переходом, если возрастет ширина канала, а все остальные параметры останутся неизменными?
4.От каких конструктивно-технологических параметров зависит крутизна полевого транзистора с управляющим р-n-переходом?
Лабораторная работа № 6
Исследование статических характеристик полевого транзистора с МДП - структурой
Цель работы: изучение принципа работы МДП-транзистора с индуцированным каналом.
Полевые транзисторы с изолированным затвором относятся к униполярным полупроводниковым приборам, принцип работы которых основан на изменении электрического сопротивления поверхностной области полупроводника вследствие эффекта поля. Основу прибора составляет структура металл-диэлектрик-
полупроводник (МДП).
Различают МДП-транзисторы с индуцированным (рисунок 6.1, а) и встроенным (рисунок 6.1, б) каналом. В МДП-транзисторе с индуцированным каналом сток и исток разделены областью с другим типом проводимости (подложка). При приложении напряжения к затвору в подзатворной области вследствие эффекта поля меняется тип проводимости, и образуется канал. По характеру ВАХ это нормально закрытый прибор (при нуле на затворе ток между стоком и истоком не течет).
МДП-транзисторы с индуцированным |
МДП-транзисторы со встроенным |
||||
каналом |
каналом |
||||
С |
С |
С |
С |
||
П |
П |
П |
П |
||
З |
З |
З |
З |
||
И |
И |
И |
И |
||
p-канальный |
n-канальный |
p-канальный |
n-канальный |
||
а |
б |
||||
Рис. 6.1. Условные обозначения МДП-транзисторов |
|||||
подзатворный |
– |
затвор |
– |
||
диэлектрик |
|||||
p+- исток |
p+- сток |
||||
индуцированны |
ОПЗ |
||||
й p-канал |
|||||
n-подложка |
|||||
Рис. 6.2. Структура МДП-транзистора с индуцированным p-каналом |
|||||
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
электропроводности полупроводника под затвором, называют пороговым Uпор. 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.
E |
||
Efc qυf |
qυ |
|
Ei |
||
Ev |
||
ОПЗ |
канал |
ОПЗ |
режим обеднения |
режим инверсии |
|
а |
б |
|
E |
Ec |
|||||||
c |
||||||||
Ef |
Ef |
|||||||
Ei |
Ei |
|||||||
Ev |
||||||||
E |
||||||||
v |
||||||||
режим обогащения |
||||||||
в |
||||||||
Рис. 6.3. Зонные диаграммы полупроводника n-типа под затвором МДП-структуры
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 (рисунке 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 (рисунке 6.3, в). Это
режим обогащения. (В SiO2 существует положительный заряд поверхностных состояний, поэтому при Uз = 0 будет режим обогащения)
Пороговое напряжение: |
|
Uпор = υs0+ (Qпов+ Qопз)/Сд, |
(6.1) |
где υs0 – поверхностный потенциал при граничных условиях сильной инверсии, |
|
υs0 =2 υf = 2 υТ ln(Nd /ni), |
(6.2) |