Аппаратура

Для выполнения работы используется следующая аппаратура:

1) лабораторный макет;

2) осциллограф универсальный C1-65A;

3) микроскоп типа ММУ-3;

4) кассета с образцами.

Теоретические сведения

Работа униполярных транзисторов основана на использовании только одного типа носителей зарядов в полупроводнике – основных. Процессы инжекции и диффузии в таких приборах практическиотсутствуют (во всяком случае, они не играют принципиальной роли). Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле.

Для управления током в полупроводнике при постоянном электрическом поле нужно менять либо удельную электропроводность полупроводникового слоя, либо его площадь. На практике используются оба эти способа, причем в их основе лежит эффект поля. Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называется каналом. Униполярные транзисторы иногда называют канальными, или полевыми.

Каналы подразделяются на приповерхностные и объемные. Приповерхностными каналами могут служить инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля, объемными каналами – участки полупроводникового материала, отделенные от поверхности обедненным слоем р– n перехода.

Транзисторы с приповерхностным каналом имеют структуру металл – диэлектрик – полупроводник (МДП), из-за чего их называют МДП–транзисторами. Если диэлектриком является окисел, то транзисторы получают название МОП–транзисторов.

Транзисторы с объемным каналом характеризуются тем, что обедненный слой у них создается с помощью обратно смещенного р–n перехода, их называют полевыми транзисторами с управляющим р–n переходом (ПТУП). Несмотря на различие в структуре, МДП–транзисторы и ПТУП имеют много общего. Обоим свойственна явно выраженная управляющая цепь, четко отделенная от управляемой цепи, в которой протекает рабочий ток, либо участком диэлектрика - в случае МДП – транзистора, либо обратно смещенным р– n переходом – в случае ПТУП. Поэтому управляющая цепь практически не потребляет тока. Направление электрического поля, создаваемого управляющим напряжением, перпендикулярно направлению рабочего тока. Наряду с общими чертами каждый из этих двух типов униполярных транзисторов обладает, конечно, и отличительными особенностями.

МДП–транзисторы.

В транзисторах со структурой металл – диэлектрик – полупроводник принцип работы основан на модуляции сопротивления проводящего канала у поверхности полупроводника под воздействием эффекта поля.

На рис.1 схематически показана конструкция МДП–транзистора. В полупроводниковой подложке p –типа сформированы две высоколегированные n⁺– области: исток и сток. Металлический электрод – затвор – отделен от подложки тонким слоем диэлектрика. Основными конструктивными параметрами МДП–транзистора являются: длина канала , ширина канала и толщина слоя диэлектрика . Электрические параметры кремния, влияющие на характеристики МДП–структур: концентрация примеси в подложке N_A , подвижность носителей в канале μ_n, концентрация поверхностных состояний N_пов.

Управляющей цепью в МДП–транзисторах является цепь затвора, управляемой – цепь истока – стока. Управляющая цепь практически не потребляет ток, поскольку в нее входит участок с диэлектриком. Поэтому в МДП–транзисторах получается значительное усиление мощности, намного больше, чем в биполярных транзисторах.

Рис. 1. Конструкция n – канального МДП–транзистора.

Если напряжение на затворе отсутствует, то электрическая цепь истока – стока представляет собой два n⁺ – р перехода, включенных встречно друг другу (см. рис.1). Поэтому при любой полярности напряжения между истоком и стоком один из переходов смещается в обратном направлении и в выходной цепи истока – стока протекает очень малый ток обратно смещенного перехода.

При приложении к затвору достаточно большого положительного потенциала в р– области у границы с диэлектриком образуется (индуцируется) инверсный канал n - типа, соединяющий n⁺ – области истока и стока. Проводимость инверсного канала модулируется при изменении потенциала затвора. Минимальное напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжением.

На рис.1 представлена конструкция n - канального МДП–транзистора. Если использована подложка n-типа, а области истока и стока выполнены с электропроводностью p⁺-типа, то получится р– канальный МДП –транзистор. Структуры, в которых используется сочетание n– и р– канальных транзисторов, называются комплементарными (КМДП). МДП–транзисторы, у которых канал появляется только после приложения к затвору потенциала, большего порогового напряжения, называются транзисторами с индуцированным каналом.

Существуют МДП–транзисторы со встроенным каналом в виде тонкого приповерхностного слоя, который обычно изготовливают методом ионного легирования. Проводимость встроенного канала модулируется при обеих полярностях напряжения на затворе. Значение порогового напряжения для них теряет смысл, вместо него вводят параметр – напряжение отсечки, при котором равновесные электроны уходят из встроенного канала, в результате чего цепь исток – сток разрывается.

На рис.2 показаны структуры МДП–транзисторов описанных типов, приведены их обозначения на электрической схеме. В дальнейшем будем рассматривать только МДП–транзисторы с индуцированным n – каналом как наиболее распространенные.

Поскольку удельная емкость между затвором и полупроводником пропорциональна индуцированному в полупроводнике удельному заряду под действием положительного потенциала на затворе, то удельная емкость затвор полупроводник определяет степень модуляции проводимости канала, т.е. управляющую способность канала. Поэтому удельная емкость затвор - полупроводник – важнейший параметр затвора:

,

где – электрическая постоянная вакуума; – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала.

С целью увеличения стремятся уменьшить толщину подзатворного диэлектрика , что ограничено возможностями технологии и уменьшением напряжения его пробоя. Типичные значения = (0,07 - 0,12) мкм, в наиболее современных структурах эта величина составляет 6-7 нм.

В исходном состоянии в подзатворном диэлектрике обычно присутствует равновесный заряд, приводящий к изгибу зон. Поэтому пороговое напряжение можно разделить на две составляющие:

,

где - напряжение спрямления зон, т.е. напряжение на затворе, при котором происходит ликвидация исходного искривления зон.

Рис. 2. Структуры МДП-транзисторов и их обозначения в электрической схеме: n-канальных (а, в) и р-канальных (б, г); с индуцированным (а, б) и встроенным (в, г) каналом.

,

здесь - контактная разность потенциалов между металлом затвора и диэлектриком; - равновесный удельный поверхностный заряд.

- напряжение изгиба зон, т.е. напряжение, которое нужно приложить к затвору для изгиба зон в сторону, необходимую для образования проводящего канала.

Энергетические диаграммы МДП–транзистора приведены на рис.3. Из рис.3,в видно, что для уменьшения значения величины , а значит и , нужно уменьшать уровень легирования р – подложки. Действительно, с понижением концентрации акцепторов в подложке уровень Ферми поднимается вверх, а расстояние между уровнями середины запрещенной зоны и сокращается, поэтому уменьшается также напряжение , которое следует приложить для образования инверсного канала.

Соотношения между напряжениями и токами в МДП–транзисторах определяются с помощью выходных и передаточных вольт-амперных характеристик (ВАХ). На рис. 4 изображены статические ВАХ МДП–транзистора.

Существенное влияние на эти характеристики оказывают изменения в структуре канала в результате токопрохождения, показанные на рис. 5. Если напряжение между истоком и стоком не слишком велико, то канал проявляет себя как обычное сопротивление, ток стока увеличивается пропорционально напряжению стока. Эта область на выходных ВАХ называется линейной областью работы транзистора.

С увеличением напряжения возрастает ток стока и потенциал поверхности полупроводника в направлении от истока к стоку, разность потенциалов между затвором и поверхностью полупроводника уменьшается в направлении к стоку.

Соответственно уменьшается напряженность электрического поля в диэлектрике и удельный заряд электронов в канале. В результате сечение канала сужается в направлении к стоку. При достижении напряжением на стоке значения, равного напряжению насыщения в точке х= (см. рис. 5, б), становятся равными нулю разность потенциалов между затвором и

Рис. 3. Энергетические диаграммы МДП–транзистора: а - исходное состояние; б - состояние после подачи напряжения спрямления зон U_OF; в - состояние после подачи напряжения изгиба зон U_OВ.

Рис. 4. Статические ВАХ МДП–транзистора: а – выходные; б - переходные для структуры с индуцированным каналом; в- переходные для структуры со встроенным каналом.

поверхностью полупроводника, напряженность поля в диэлектрике и удельный заряд электронов. Поэтому толщина канала оказывается равной нулю. Эти условия соответствуют началу режима отсечки канала.

Напряжение насыщения определяется выражением:

. (1)

Рис. 5. Структура канала и области объемного заряда МДП–транзистора: а – в линейном режиме; б – в начале насыщения (отсечка канала на границе со стоком); в – в режиме насыщения.

В случае точка отсечки сдвигается к истоку и происходит укорочение канала на величину . При этом обедненный слой обратно смещенного перехода сток – подложка, который при отделялся от поверхности полупроводника каналом, выходит на поверхность полупроводника на участке (см. рис. 5, в). Потенциал в точке х = ' сохраняет значение , которое было в начале насыщения. После достижения , т.е. после отсечки канала, ток стока практически перестает зависеть от потенциала стока. Эта область на выходных ВАХ называется областью насыщения тока стока. В точке х = ' на острие канала концентрируется электрическое поле, напряженность которого превышает критическое значение . Наступает режим насыщения скорости дрейфа электронов υ_др, инжектированных из острия канала в слой объемного заряда.

Ток через канал , где - заряд электрона; n – концентрация электронов в канале; - подвижность электронов. При υ_др = и ток перестает зависеть от напряжения . Аналитическое выражение для выходных ВАХ в первом приближении имеет вид

, (2)

здесь

, (3)

параметр называется удельной крутизной МДП–транзистора.

Выражение (2) определяет при условии , т.е. только на начальных крутых участках выходных характеристик. Если ток стока практически не изменяется.

Подставляя (1) в (2), получим для выходных ВАХ в области насыщения

(4)

При работе МДП–транзистора в режиме усиления используются участки выходных ВАХ в области насыщения, при оптимальных значениях малосигнальных параметров в этой области возможно получение минимальных нелинейных искажений усиливаемых сигналов.

МДП–транзисторы характеризуются следующими малосигнальными параметрами:

Крутизной

; (5)

внутренним сопротивлением

; (6)

коэффициентом усиления

. (7)

Малосигнальные параметры (5)–(7) связаны соотношением

;

крутизна в области насыщения определяется из (4):

; (8)

при , поэтому называют удельной крутизной.

Из выражений (8) и (4) получается зависимость в виде

. (9)

Соотношение (9) выражает взаимосвязь двух крутизн S и S₀. Типичные значения коэффициента усиления .