Статические характеристики полевого транзистора с изолированным затвором.

Вольтамперные характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором

по курсу

"Электроника"

Горький

УДК 621.382

МДП-транзисторы. Описание, задания и методические указания к лабо­раторной работе по курсу "Электронные приборы". - Горький: ГПИ им.А.А.Жданова, 1986. -24 с

.

Приводится описание лабораторной установки для эксперимен­тального исследования работы МДП-транзистора на постоянном токе. Излагается последовательность выполнения измерений при снятии характеристик транзистора. Даются методические указания, необхо­димые для лучшего усвоения физических процессов, протекающих в МДП-транзисторах.

Составители: Г.М.Бугров, А.Ю.3инкин, В.В.Маланов, Н.П.Оганезов

Научный редактор В.В.Маланов

Редактор И.И.Морозова

Технич.редактор Н.А.Гуськова

Подп.14.05.86. Формат 60x84 1/16 Бум.газетная. Печ.офсетная.

Печ.л.1,5. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 300. Заказ 188. Бесплатно.

Лабораторная офсетной печати ГПИ им.А.А. Жданова.

603600, ГСП-41, г.Горький, ул.К.Минина, 24.

Эффект поля.

Принцип действия полевого транзистора с изолированным затвором основан на использовании эффекта поля. Эффектом поля называют изменения концентрации носителей (а, следовательно, и проводимости) в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля. Сущность его заключается в следующем. Пусть имеется металлический электрод (МЭ), расположенный на небольшом расстоянии от полупроводника p - типа

( – толщина диэлектрика) и задано внешнее напряжение , как на рис.4.1. В такой системе металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-система) протекание тока невозможно, поэтому она находится в равновесии и представляет собой, по сути дела, конденсатор с одной металлической и другой полупроводниковой обкладками. В полупроводниковой обкладке будет индуцирован заряд, равный по величине, но противоположный по знаку заряду металлического электрода (рис.4.1).

Этот заряд, в отличие от заряда металлического электрода, распределен по некоторому объему приповерхностного слоя полупроводника.

Знак индуцированного заряда определяется полярностью приложенного напряжения. Так, при положительной полярности металлического электрода (рис.4.1), заряд, индуцированный в приповерхностном слое полупроводника, оказывается отрицательным. Он обусловлен неосновными носителями – электронами, которые подтягиваются к поверхности, и отрицательно ионизированными атомами акцепторов, образующихся за счет ухода части основных носителей – дырок в глубь полупроводника, в связи с чем происходит обеднение приповерхностного слоя основными носителями.

При отрицательной полярности внешнего напряжения заряд, индуцированный в полупроводнике будет положительным за счет дырок, притягивающихся к поверхности. Это – режим обогащения приповерхностного слоя основными носителями.

В общем случае плотность объемного заряда в полупроводнике

где q – заряд электрона, p – концентрация дырок, n – концентрация электронов, – концентрация ионизированных атомов доноров, – концентрация ионизированных атомов акцепторов (в нашем случае ).

Наличие зарядов приводит к возникновению электрического по­ля. В промежутке между электродом и поверхностью полупроводника это поле имеет постоянную напряженность . В объеме полу­проводника напряженность поля спадает до нуля по мере удаления от поверхности вследствие экранирующего действия индуцированного заряда (рис.4,1,6). На достаточно большом расстоянии от поверх­ности полупроводник остается электрически нейтральным.

Изменение потенциала показано на рис.4.1,в, где за нуль принят потенциал объема полупроводника. Закон изменения потенциа­ла носит экспоненциальный характер:

, , (4.1)

где - поверхностный потенциал, а длина экраниро­вания, или дебаевская длина, характеризующая степень проникнове­ния поля в полупроводник.

(4.2)

Здесь - диэлектрическая проницаемость полупроводника, - температурный потенциал, - концентрация ионизированных примесей (доноров иди акцепторов). Например, при , , т.е. поле приникает в полупроводник на ничтожную глубину.

С физической точки зрения ясно, что все внешнее приложенное на­пряжение будет падать на слое диэлектрика, потому поверхностный по­тенциал будет незначительным. При всех реальных значениях при­ложенного напряжения превышает нескольких непонятных полей вольта (рис.4.2).

Действие внешнего электрического поля приводит к искривлению энергетических уровней вблизи поверхности полупроводника, так, как показано на рис. 4.3.

При отрицательном прило­женном напряжении на поверхности полупроводни­ка образуется обогащен­ный основными носителями слой, поэтому проводимость этого слоя увеличивается. На энергетической диаграмме это соответствует искрив­лению энергетических уровней на величину (рис.4.3,а).

В случае, когда к металлическому электроду приложено поло­жительное напряжение, то на поверхности полупроводника образуется обедненный дырками слой и его проводимость уменьшается. Искривление энергетических уровней происходит вниз на величину (рие.4.3,б). При этом может быть несколько случаев. Если потенциал на поверхности полупроводника такой, что при искривлении уровней уровень Ферми на поверхности остается ниже средины запрещенной зоны (рис.4.3,б), то поверхностный слой сохраняет проводимость типа p, но концентрация основных носителей в приповерхностном слое уменьшается.

Если потенциал увеличить (за счет увеличения внешнего напряжения) так, чтобы уровень Ферми на поверхности совпал с серединой запрещенной зоны , то приповерхностный слой будет иметь свойство чистого (т.е. беспримесного) полупроводника, имеющего весьма малую проводимость. На поверхность p-полупроводника, “выходит” обедненный носителями тока слой объемного заряда ионизированных атомов акцепторов.

При дальнейшем увеличении напряжения поверхностный потенциал возрастает на столько, что уровень Ферми на поверхности оказывается расположенным выше середины запрещенной зоны. Это означает, что в приповерхностном слое p-полупроводника образуется слой с проводимостью n-типа, а слой объемного заряда ионизированных атомов несколько смещается вглубь полупроводника (рис.4.3,в). Протяженность области объемного заряда в несколько раз превышает величину и к тому же зависит от приложенного напряжения, ток как от него зависит (см.рис.4.2).

Концентрации носителей заряда n и p в приповерхностном слое могут быть определены на основании выражений:

(4.4.а)

(4.4.б),

где (рис.4.3). В формулы (4.4) потенциалы входят со своим знаком (для нашего случая они отрицательные). Из (4.4) следует, что концентрация подвижных носителей существенным образом зависит от поверхностного потенциала. При достаточно большом напряжении увеличивается на столько, что на поверхности полупроводника уровень Ферми оказывается расположен­ным в зоне проводимости. Происходит превращение приповерхностного слоя в полуметалл с очень малым сопротивлением. Падение напряже­ния в этом слое незначительное, поэтому поверхностный потенциал в дальнейшем меняется всего лишь на несколько и остается близким к значению (обычно 0,6¸1В). Од­нако даже такое изменение вызывает существенное измене­ние концентрации электронов (см. 4.4,а).

Образование приповерхностного слоя с противоположной проводимостью называют инверсией типа электропроводности полупроводника, а слой, образованный неосновными носителями, называют инверсионным слоем (рис.4.3,в). Это явление изменения типа проводимости приповерхностного слоя полупроводника и толщины этого слоя под влиянием внешнего электрического поля положено в основу принципа действия полевого транзистора с изолированным затвором.

4.2. Устройство и принцип действия МДП-транзистора.

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором показано на рис.4.4.

В исходной подложке (П) р-типа (используется обычно кремний) создаются две области, концентрации доно­ров в которых значительно превышают концентрация) акцепторов в подложке. Со­ответственно образуются два перехода. Эти области представляют собой электроды истока (И) и стока (С). Истоком называют тот электрод, из которого основные носители начинают свое движение к стоку. Следовательно сток - это электрод, куда поступают носи­тели. Металлический электрод, создающий эффект поля называют затвором (З). Он изолирован от подложки слоем диэлектрика в ка­честве которого чаще всего используется двуокись кремния . Исток, обычно, электрически соединяют с подложкой.

Представленный на рис.4.4 транзистор получил название МДП-транзистор* с индуцированным каналом типа n.

*Равнозначны все названия транзисторов с отечественными и английскими аббравиатурами:

МДП – Металл Диэлектрик Полупроводник. МОП – Металл Окисел Полупроводник.

MOS – Metal Oxide Semiconductor.

Принцип действия МДП-транзистора иллюстрируется рисунком 4.6. При нулевом напряжении на зат­воре относительно истока и нали­чии напряжения на стоке ток сто­ка практически равен нулю, так как сопротивление исток-сток весьма велико за счет двух встречно включенных переходов. Если на затвор подать отрицательное напряже­ния , то приповерхностный слой обогатится дырка­ми, но сопротивление исток-сток по-прежнему будет высоким и ток стока практически не изменится. При подаче на затвор положитель­ного напряжения, т.е. , сначала с увеличением его бу­дет происходить обеднение поверхностного слоя основными носите­лями – дырками и обогащение его неосновными носителями - электронами. При превышении некоторого значения напряжения на затворе, называе­мого пороговым напряжением , образуется инверсионный слой, в котором носителями тока будут являться электроны. Этот слой играет роль токопроводящего канала соединяющего исток и сток (рис.4.6,а). Вместе с образованием канала под ним возникает обедненная область пространственного заряда - область отрицательно ионизированных атомов акцепторов.

Электрическое поле, возникающее под затвором, ограничено относительно узким участком: силовые линии начинаются на затворе и кончаются на отрицательных зарядах - электронах и ионизирован­ных атомах акцепторов. На рис.4.6,а это поле для упрощения показано только между затвором и поверхностью полупроводника. Так как этот случай соответствует отсутствий тока через канал, , то потен­циал поверхности по­лупроводника одина­ков и равен . Поле под затвором оказывается в этом случае однородным, а толщина канала одина­кова по всей длине.

Включение поло­жительного напряжения между истоком и сто­ком приводит к появлению продольной составляю­щей электрического поля (рис.4.6,б,в), под воздействием которого электроны начинают двигаться от истока к стоку через инверсионный канал. Возникает ток стока . С изменением положительного напряжения на затворе будет меняться первоначальная толщина канала и концентрация электронов в нем. Соответственно будет изменяться и ток стока.

Протекающий ток стока создает на омическом сопротивлении канала продольное падение напряжения. Так, на участке канала длинною х (х отсчитывается от истока), падение напряжения будет равно . При изменении x от 0 до L (L - длина канала) будет изменяться от 0 до . Соответственно разность потенциалов между затвором и каналом оказывается равной и она будет изменяться в направаеник от истока к стоку от до . Это в свою очередь приводит к уменьшению нор­мальной составляющей поля затвора, концентрации электронов в канале и его толщины по мере приближения к стоку. Наряду с этим толщина области объемного заряда в этом же направлении увеличива­ется вследствие возрастания разности потенциалов между каналом и подложкой (рис.4.6,б,в).

Таким образом, протекающий ток стока влияет ка конфигурацию инверсионного канала и, следовательно, на его сопротивление, а поэтому и на вид зависимости тока стока от напряжения на стоке. На рис.4.7. показано семейство зависимостей для различных напряжений . Рассмотрим в качестве примера зависимость при (рис.4.7).

На начальном участке характеристики, где ток стока мал, падение напряжения на канале незначительное и конфигурация канала не меняется. Он ведет себя как линейное сопротивление, и зависимость отвечает закону Ома (участок Оа, рис.4.7). В дальнейшем, по мере возрастания , происходит сужение канала (рис.4.6,б) и увеличение его сопротивления. Рост тока стока замедляется (участок ab, рис.4.7). При некотором критическом напряжении на стоке, которое называют напряжением насыщения , разность потенциалов между затвором и каналом у стока становится равной пороговому значению, т.е. . Происходит перекрытие канала у стока (рис.4.6,в) и дальнейший рост тока стока с увеличением прекращаетея - наступает насыщение тока стока (участок bc, рис.4.7). Последнее обьясняется тем, что при происходит укорочение канала - точка перекрытия сдвигается к истоку - на величину (рис.4.8,а). На участке на поверхность полупроводника "выходит" объемный заряд ионизированных атомов акцепторов. Сопротивление этого участка оказывается высоким и, кроме того, возрастает с ростом за счет увеличения , пропорционально . Поэтому ток стока и остается неизменным. Заметим, что в точке перекрытия разность потенциалов между затвором и каналом также не меняется и равна .

Наличие объемного заряда не язляется препятствием для протекания тока. Здесь возника­ет сильное тянущее поле (про­дольная составляющая (рис.4.8,б} за счет которой но­сители тока в канале продолжают свое движение к стоку. Если увеличить напряжение по сравнению с , то канал еще больше обогатится электронами, его первоначальное сопротивление уменьшится и соответствующая зависимость пройдет выше (рис.4.7). Насыщение тока стока наступит при большем напряжении на стоке.

Статические характеристики полевого транзистора с изолированным затвором.

Одним из основных семейств статистических характеристик транзистора являются зависимости при , которые представляют собой его выходные характеристики. Они были рассмомрены ранее и приведены на рис.4.7

Наряду с ними, зависимости при представляют собой семейство статических стоко-затворных характеристик.

Уравнение для тока стока МДП-транзистора.

При выводе уравнения для тока стока считаем, что подложка соединена с истоком и имеет нулевой потенциал. Необходимо найти зависимость постоянного тока от постоянных напряжений и .

Ток стока в канале, одинаковый в любом его сечении, является дрейфовым током основных носителей, и

, (4.5)

где - продольная составляющая напряженности электрического поля в канале (считается, что она не зависит от координаты y); n(x,y) - распределение концентрации носителей (зависит от координат x и y); - эффективная водвижность электронов в канале, которая из-за рассеяния на поверхности полупроводника в несколько раз меньше подвижности электронов в объеме.

Усредним по y:

где - толщина канала.

Подставив это среднее значёние концентрации электронов в (4.5), получим

Помножив на площадь поперечного сечения канала , где z - ширина канала, находим ток стока . Величина представляет собой по физичес­кому смыслу поверхностную плотность подвижного заряда (электронов) в канале.

Поэтому

(4.6)

Из этого выражения следует, что ток зависит как от заряда электронов в канале, так и от продольной составляющей поля.

Определим заряд .

Напряженность поперечного электрического поля в диэлектрике является функцией координаты x и может бить определена как

где - толщина диэлектрика.

Тогда, на основании известной Теоремы Гаусса, плотность индуцированного на поверхности заряда

. (4.7)

Здесь - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Поскольку поверхностный канал образуется при то из (4.7) можно записать:

, (4.8)

если ; при канал отсутствует и поэтому нужно положить . Подставляя (4.8) в (4.6) и учитывая, что , получим:

,

, .

После выполнения интегрирования окончательно имеем:

.

Отношение представляет собой удельную емкость затвор-канал. С учетом этого выражение для тока :

, (4.9)

где .

Выражение (4.9) справедливо при и . Если , то происходит перекрытие канала и ток стока не меняется.

Иэ условия , найдем

(4.10)

Подставляя (4.10) в (4.9), получим, что в режиме насыщения

, (4.11)

Выходные характеристики транзистора, соответствующие уравне­ниям (4.9) и (4.11), были приведены ранее (рис.4.7). На рис.4.10 показана стокозатворная характеристи­ка МДП-транзистора для режима насыще­ния (уравнение 4.11).

Выражения (4.9) и (4.11) хотя и приближенные, но из-за своей прос­тоты широко используются в инженер­ной практике.

Обычно принято считать номинальным ток стока при напряжении на затворе . Тогда из (4.11),

.

Рассмотрим начальные участки выходных характеристик. Из выражения (4.9) при условии, что , получаем

(4.12)

Семейство этих зависимостей показано на рис.4.11. Множитель при в выражении (4.12) называется проводимостью канала, а обратная ей величина - сопротивлением кана­ла:

.

Из этого выражения видно, что сопротив­ление канала можно менять в широких пределах путем регулирования напряжения на затворе.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: