Лабораторная работа № 6. Исследование статических характеристик полевого транзистора с МДП - структурой

Цель работы: изучение принципа работы и приобретение навыков экспериментального исследования ВАХ 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).

а б

Рис. 6.1. Условные обозначения МДП-транзисторов

Рис. 6.2. Структура МДП-транзистора с индуцированнымp-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 U_си будет течь ток I_с. Напряжение на затворе U_зи, при котором меняется тип электропроводности полупроводника под затвором, называют пороговым U_пор.

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 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 n_n₀ (рисунке 6.3, б). Напряжение затвора, соответствующее этому граничному режиму – пороговое. При U_з > U_пор 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 U_з= 0 будет режим обогащения)

Пороговое напряжение:

U_пор = φ_s₀+ (Q_пов+ Q_опз)/С_д, (6.1)

где φ_s₀ – поверхностный потенциал при граничных условиях сильной инверсии,

φ_s₀=2 φ_b = 2 φ_Т ln(N_d/n_i), (6.2)

Q_пов – заряд поверхностных состояний диэлектрика, Кл/см², Q_опз – заряд ОПЗ, Q_опз=q N_d l_опз, ширина ОПЗ: l_опз = , С_з – удельная емкость МДП-структуры, представляющей собой плоский конденсатор, С_з = ε_дε₀/t_д, Ф/см², ε_д и t_д – 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 U_си наблюдается замедление роста I_с. При U_си = U_з– U_пор 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.

В линейной области характеристик ток стока:

I_с = b ∙ [(U_з – U_пор) ∙ U_с - 0,5 ∙ U_с²], (6.3)

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

В пологой области характеристик ток стока:

I_с = 0,5 ∙ b ∙ (U_з – U_пор)². (6.4)

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

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

Крутизна передаточной характеристики (dI_с/dU_з при U_с = const) в пологой области ВАХ:

S = b (U_зи – U_пор). (6.5)

Зависимость крутизны S от выходного тока I_с (в пологой области): S = .

На подложку может быть подано положительное напряжение U_пи. Тогда обратное смещение, приложенное к ОПЗ, возрастает до φ_s₀+U_пи. Соответственно возрастут ширина ОПЗ , ее заряд и пороговое напряжение.