ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

СО СТРУКТУРОЙ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК.

МДП- ТРАНЗИСТОР.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Снять статические характеристики p-канального МДП транзистора КП301Б - зависимости тока стока I_d от напряжения на затворе I_d(V_g) и на стоке I_d(V_d).

2. По снятым характеристикам рассчитать пороговое напряжение V_т, напряжение отсечки V_sat, и подвижность дырок p в канале.

3. Изучить влияние обратного смещения подложки V_bs на пороговое напряжение V_т МДП транзистора и подвижность дырок в канале.

4. Рассчитать уровень легирования полупроводниковой подложки N_a по характеристикам МДП транзистора.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Физической основой работы МДП транзистора является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля.

а)                                 б)                         в)

Рис.1. Зонная диаграмма МДП-структуры.

а) обогащение, V_g>0, y_s>0;

б) обеднение, V_g<0, y _s<0,|y _s|<|y ₀|;

в) инверсия, V_g<<0, y_s<0,| y₀|<| y_s|<|2 y₀| -слабая инверсия,| y_s|>|2y ₀|-сильная инверсия.

В структурах металл-диэлектрик-полупроводник внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод (затвор) относительно полупроводниковой подложки. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения различают  три  состояния  приповерхностной области полупроводника.

1) Обогащение основными носителями. Этому состоянию соответствует знак напряжения на металлическом электроде (затворе), притягивающий основные носители (для n-типа, V_g>0)(рис.1а).

2) Обеднение основными носителями. Этому состоянию соответствует небольшое по величине напряжение, отталкивающее основные носители (для n-типа,V_g<0)(рис.1б).

3) Инверсия типа проводимости. Такому состоянию соответствует большое по величине напряжение на затворе, соответствующее значитель­ным изгибам зон и вызывающее обогащение поверхности неосновными носителями заряда (для n-типа,V_g<<0)(рис.1в).

Когда на поверхности полупроводника сформировался инверсионный канал, величина концентрации неосновных носителей заряда (дырок) в инверсионных каналах равна концентрации основных носителей(электронов) в объеме полупроводника. При этом величина поверхностного потенциала y_s равна y_s=2 j₀, где j ₀- расстояние от середины запрещенной зоны до уровня Ферми в квазинейтральном объеме. Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию дырок в инверсионном канале, и тем самым модулировать его проводимость. При этом дырки в канале отделены от свободных носителей в объеме полупроводника областью пространственного заряда.

Рассмотрим полевой транзистор со структурой МОП (металл-окисел-полупроводник), схема которого приведена на рис.2.

Рис.2. Схема МДП-транзистора. V_d=0, V_g<0.

Основными элементами конструкции МДП-транзистора являются:1)- две сильно легированные области противоположного с подложкой типа проводи­мости, сток и исток; 2) диэлектрический слой, отделяющий металлический электрод, затвор, от полупроводниковой подложки и лежащий над активной областью транзистора, инверсионным каналом, соединяющим сток и исток.

Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке n-типа, обусловлен свободными дырками, концентрация которых r. Электрическое поле Е_y обсловлено напряжением между стоком и истоком V_d. Согласно закону Ома плотность тока канала

                   (1)

где q-заряд электрона, p-подвижность и p(x)-концентрация дырок в канале,. Проинтегрируем (1) по ширине Z и глубине Х канала. Тогда интеграл в левой части (1) дает полный ток канала I_d, а для правой получим

             (2)

Величина под интегралом - есть полный заряд дырок Q_p в канале на единицу площади. Тогда I_d= W m_pQ_p dV/dy (3)

Найдем величину заряда дырок Q_p. Запишем уравнение электронейтральности для зарядов на единицу площади в виде

 Q_м = Q_ох + Q_p + Q_B     (4)

Согласно (4) заряд на металлическом электроде Q_м уравновешивается суммой зарядов на полупроводнике: свободных дырок Q_p и ионизованных доноров Q_B и встроенных зарядов в окисле Q_ох. На рис.3 приведены схема расположения этих зарядов. Из определения емкости следует, что полный заряд на металлической обкладке Q_м конденсатора

 Q_м = С_ох · V_ох          (5)

где V_ох - падение напряжения на окисном слое, С_ох - удельная емкость подзатворного диэлектрика.

Рис.3. Схема расположения зарядов в активной области МДП-транзистора.

      Q_B - заряд ионизованных доноров.

      Q_p - заряд cвободных дырок.

      Q_ох- заряд встроенный в окисле.

      Q_м - заряд на металлическом электроде.

Поскольку полное приложенное напряжение V_g есть сумма падений напряжения в окисле V_ох и в полупроводнике s, то

       (6)

 где Dj _ms - разность работ выхода металл-полупроводник,

y_s - величина поверхностного потенциала в равновесных условиях, т.е. при V_d=0.

Из (4), (5) и (6) следует

             (7)

Поскольку в области сильной инверсии при значительном изменении V_g величина y _s меняется слабо(условие плавного канала),  будем в дальнейшем считать ее постоянной и равной потенциалу начала области сильной инверсии y _s=2j _о. Введем пороговое напряжение V_т=V_g-V(y) как напряжение на затворе, соответствующее открытию канала в равновесных условиях Q_p(V_d=0)=0. Из (7) следует, что

            (8)

Тогда с учетом (8) Q_p = С_ох[V_g - V_т - V(y)]    (9)

Подставляя (9) в (3) и проводя интегрирование вдоль канала, при изменении

y от 0 до L, а V(y) от 0 до V_c, получаем

                (10)

Уравнение (10) описывает вольтамперную характеристику полевого транзистора в области плавного канала. Как следует из (9), по мере роста V_d в канале можем наступить такой момент, когда произойдет отсечка канала, т.е. Q_p=0. Это соответствует условию

            V(y) = V_d^sat = V_g - V_т              (11)

Напряжение на стоке V_d, необходимое для смыкания канала вблизи стока, называется напряжением отсечки,  V_d^sat. На рис.4 показаны оба состояния: плавного и отсеченного канала.

Рис.4. Схема работы транзистора.

а) в области плавного канала    и     б) в области отсечки

С ростом напряжения стока V_d точка канала соответствующая отсечке сдвигается от стока к истоку. В первом приближении, при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки падает одинаковое  V_d^sat=V_g-V_T напряжение, не зависящее от напряжения исток-сток  V_d. Поскольку эффективная длина канала L и DL=L-L'<<L, это обуславливает, в первом приближении, не зависящий от напряжения стока V_d ток стока I_d. Подставив (11) в (10) вместо V_d, получаем: для области отсечки

      (12)

На рис.5 приведены характеристики транзистора I_d=f(V_d) при различных напряжениях на затворе, V_g, и I_d=f(V_g) при различных V_d.

Рис.5. Характеристики МДП транзистора.

а) Зависимость тока стока I_d от напряжения на стоке V_d при разных V_g. Отмечены значения напряжения стока, равные напряжению отсечки V_d^sat.

б) Зависимость тока стока I_d от напряжения на затворе V_g в области плавного канала. Пунктиром указано напряжение затвора, соответствующее экстраполированному к нулю значению тока стока.

При приложении напряжения канал-подложка V_bs, расширяющего область пространственного заряда, меняется величина области ионизованных доноров. Из теории p-n-перехода следует, что величина заряда Q_B при смещении канал-подложка V_bs

                 (13)

Поскольку величина Q_B входит в выражение  для  порогового  напряжения V_T,то изменение V_bs вызовет соответствующее изменение V_т. При этом

                 (14)

Зная толщину окисла d_ox и примерное значение N_B (с точностью до порядка) для определения j _o.

              (15)

Из угла наклона зависимости (14) можно рассчитать величину (уровень) легирующей примеси в подложке МДП транзистора.

              (16)

Для транзистора КП 301Б необходимые для расчета параметры имеют значения:

W=100 мкм: L=20 мкм; d_ox=100 нм; e _s=11,8; e _ox=3,82; j₀=0,3 B; e ₀=8,85· 10^-14 Ф/cм.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Собрать схему для снятия статических характеристик МДП-транзистора.

Регулировка напряжений V_g,V_d и V_bs осуществляется ручками потенциометров, смонтированных на панели. Ток стока измеряется по  падению напряжения на нагрузочном сопротивлении в цепи стока микровольтметром. Требуется, чтобы сопротивление нагрузки R_н было много меньше сопротивления канала  R_c,  поэтому  падение напряжения V_Rн должно быть много меньше напряжения V (примерно в 100 раз).

ВНИМАНИЕ! Во избежание пробоя статическим электричеством подзатворного диэлектрика запрещается прикасаться к выводам затвора руками без предварительного  заземления затворной цепи.

2. Снять семейство I_d = f(V_d) при изменении напряжения на стоке от 0 до 12 В через 1 В в крутой части и через 2 В в пологой части вольтамперной характеристики. Напряжения на затворе устанавливаются: -5 В,-7 В, -10 В, -12 В.(См. табл.1).

Начертить таблицу 1 и результаты измерений занести в таблицу. Построить график зависимости I_d = f(V_d) и определить из графика напряжение отсечки V_d^sat.

Таблица 1.

3. Снять семейство переходных характеристик МДП-транзистора I_d=f(V_g) при различных значениях напряжения сток-исток. Величину напряжения на затворе изменять в диапазоне от -1 В до -12 В через 1 В.

а) Выставить напряжение на стоке: V_с=-0,1 В и снять I_d=f(V_g) в области плавного канала.

б) Последовательно выставляя V_с=-5 В, -10 В, снять характеристики МДП-транзистора в области отсечки.

Занести результаты измерений в табл.2, построить графики I_d=f(V_g).

Таблица 2.

По формулам (10) и (12) рассчитать значения порогового напряжения V_т и подвижности дырок m_p. Для этого на графике зависимости I_d=f(V_g) в области плавного канала проэкстраполировать  прямолинейный  участок зависимости к  значению  Id=0. Значение  Vg при этом,  как следует из (10), будет Vg=Vт-Vd/2. Величина подвижности m _p определить из тангенсов угла наклона зависимости I_d=f(V_d) и I_d=f(V_g).

4). Подать на подложку напряжение смещения V_bs противоположное по полярности напряжению стока V_d. Снять семейство характеристик I_d=f(V_g) в области плавного канала (V_d=-0,1) при различных V_bs (см.табл.3).

Таблица 3.

Построить графики зависимость I_d=f(V_g) при различных значениях V_bs и определить по (10) значения порогового напряжения V_т. Построить график зависимости

и по (15) и (16) рассчитать величину N_B

3. ОТЧЕТ О РАБОТЕ.

      Отчет о работе должен содержать:

1). Схему для снятия характеристик МДП-транзистора.

2). Таблицы результатов измерений.

3). Графики переходных I_d=f(V_g) и проходных I_d=f(V_d) характеристик МДП-транзистора, графики  зависимости  I_d=f(V_g) при различных напряжениях V_bs,

4). Найденные из графика I_d=f(V_d) значения напряжения отсечки и сравнение их с расчетными по (11).

5). Рассчитанные значения порогового напряжения V_T, подвижности дырок m_p  и уровня легирования подложки N_B.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1). В чем состоит физический принцип работы полевого МДП-транзистора?

2). Дать определение основных структур, топологических и электрофизических параметров МДП-транзисторов.

3). Почему в области отсечки ток стока  I_d не зависит от напряжения на стоке V_d?

4). Чем объяснить влияние напряжения подложки V_bs на характеристики  МДП-транзистора?

5). Каким образом из экспериментальных характеристик транзистора можно определить его электрофизические параметры?

5. ЛИТЕРАТУРА.

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.,Мир, 1984  кн. 1, с455, кн. 2, с455.

2. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. М., Мир 1989, с273.

3. Гуртов В.А. Полевые транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник. Петрозаводск, ПГУ, 1984. с92.

4. Кобболд Р. "Теория применения полевых транзисторов" Л.,Энергия,

1975, гл.2,6,7.

5. Парфенов О.Д."Технология микросхем",М.Высшая школа,1977,гл.1.

6. Степаненко И.Л."Основы теории транзисторов и транзисторных мик­росхем"М.,Энергия,1973,гл.4,#5.5.

7. Черняев И.Н."Технология производства интегральных микросхем",

М.,Энергия,1977 гл.17,18.

Составил:         Доцент КФТТ Райкерус П.А.  1995 г.

Дополнения:       Доцент КФТТ Ивашенков О.Н. 1998 г.