WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Петрозаводский государственный университет ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВОГО МДП ТРАНЗИСТОРА Методические указания к лабораторной работе для студентов 4 курса физико-технического факультета специальности “Твердотельная электроника и микроэлектроника” Петрозаводск Издательство Петрозаводского государственного университета 2003 Рассмотрены и рекомендованы к печати на заседании редакционной комиссии по отрасли науки и техники “физика” марта 2003г.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Петрозаводского государственного университета Составители: Ю.Е. Гардин, В.А. Гуртов, С.Н. Кузнецов, В.Б. Пикулев 1.1. Краткие сведения о работе полевых транзисторов.

Полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник (МОПтранзисторы) относятся к числу униполярных полупроводниковых приборов. Основная структура МОП-транзистора показана на рис. 1. Для конкретности будем рассматривать случай n-канального МОП-транзистора. Транзистор состоит из полупроводниковой подложки p-типа, в которой сформированы две высоколегированные n+-области - сток и исток. Металлический электрод, отделенный от подложки слоем окисла, называется затвором. Структура транзистора характеризуется длиной и шириной канала, толщиной слоя диэлектрика, уровнем легирования подложки.

Рис. 1. Схема структуры МОП-транзистора.

Физической основой работы МОП-транзистора является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяются как концентрация, так и тип свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В МОП-транзисторе внешнее поле обусловлено приложенным напряжением к затвору. Когда напряжение на затворе отсутствует, электрическая цепь исток-сток представляет собой два n-p-перехода, включенных навстречу друг другу. Проводимость цепи практически равна нулю. Если к затвору приложено достаточно большое положительное напряжение, у границы с диэлектриком образуется инверсионный канал, соединяющий n+-области стока и истока. Проводимость этого инверсионного канала модулируется изменением напряжения на затворе. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения присутствуют четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника - обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия. МОП-транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии.

Рассмотрим качественно работу МОП-транзистора. Будем считать, что напряжение на затворе структуры достаточно для сильной инверсии на границе с окислом. Тогда, если напряжение на стоке VD не слишком велико, инверсионный слой проявляется как обычное сопротивление, и ток ID через проводящий инверсионный канал будет увеличиваться пропорционально напряжению стока VD. Эта область называется линейной областью работы прибора. С увеличением напряжения на стоке достигается момент, когда заряд инверсионного слоя Qn на границе у стока становится равным нулю. Эти условия соответствуют началу режима отсечки канала. Напряжение стока в данном режиме называется напряжением отсечки (VD). При больших напряжениях точка отсечки сдвигается к истоку, а ток стока при этом увеличивается лишь незначительно, поскольку напряжение между истоком и точкой отсечки канала по-прежнему равно VD.

Теперь выведем аналитические соотношения, определяющие основные характеристики МОП-транзистора, изображенного на рис. 1, используя при этом следующие допущения: 1) подзатворная область представляет собой идеальную МОП-структуру, что означает отсутствие поверхностных состояний, фиксированного заряда в окисле, разности работ выхода между полупроводником и металлом; 2) учитывается только дрейфовая компонента тока; 3) подвижность носителей в инверсионном слое постоянна (не зависит от электрического поля); 4) концентрация легирующей примеси в канале однородна; 5) обратные токи утечки p-n+-переходов пренебрежимо малы.

Оси координат направим: z вглубь полупроводника, y - вдоль по длине канала и x - по ширине канала. В соответствии с принятыми допущениями поверхностная плотность полного заряда в полупроводнике на расстоянии y от истока и поверхностный потенциал S (y) в той же точке связаны следующим соотношением:

QS (y)=[-VG+S(y)]COX (1) где СОХ =ОХ/d - удельная емкость окисла. В режиме сильной инверсии полный поверхностный заряд можно представить в виде QS=Qn+QB, (2) т.е. заряд на поверхности QS уравновешивается суммой зарядов свободных электронов Qn и ионизованных акцепторов QB. Используя выражение (2) для заряда инверсионного слоя получим Qn(y)=QS(y)-QB(y)=-[VG-S(y)]COX-QB(y) (3) В режиме сильной инверсии поверхностный потенциал S равен 2S0+V(y), где S0 - величина поверхностного потенциала в равновесных условиях (VD=0), V(y) - напряжение обратного смещения в точке y по отношению к потенциалу истока. Заряд обедненного слоя равен Q (y) =-qN W =- 2 qN [V(y) + 2 ] (4) BA M S A SO Подставив все в выражение (3), получим Q (y) =-[V - V(y) - 2 ]C + 2 qN [V(y) + 2 ] (5) n G SO OX S A SO Проводимость канала представляет собой интеграл Xi Z g = (x)dx (6) L от объемной удельной проводимости (x)=qn(x)µn(x). Полагая, что подвижность µ не зависит от x, получим qZµn Xi g = n(x)dx = qZµn|Qn|/L (7) L Сопротивление элементарного участка канала длиной dy есть dy dy dR = = (8) gL Zµ |Q (y)| n n и, следовательно, падение напряжения на этом участке I dy D dV = I dR = (9) D Zµ |Q(y)| n Умножив выражение (5) на выражение (9) и проинтегрировав получившееся выражение от истока (y=0, V=0) до стока (y=L, V=VD), для рассматриваемого идеализированного случая найдем 2SqNA Z VD V - ID = µnCOX VG - 2SO - (VD + 2SO )3/2 - (2SO )3/ [](10) D L 2 3 COX Из полученного выражения следует, что при фиксированном напряжении на затворе VG ток стока ID сначала линейно увеличивается с напряжением стока (линейная область), затем крутизна характеристики плавно уменьшается до нуля, после чего начинается область насыщения. Зависимости тока стока ID от напряжения на затворе VG называются переходными характеристиками или передаточными, а зависимость тока стока ID от напряжения на стоке VD - проходными или выходными характеристиками транзистора.



Рассмотрим подробно две области работы МОП-транзистора. Для малых напряжений стока (VD<<(VG-VT)), разлагая выражение (10), получим Z I = µ C (V - V )V (11) Dn OX G T D L 2SqN (2SO ) A где VT = 2SO + - пороговое напряжение.

COX По мере увеличения напряжения стока VD заряд инверсионного слоя Qn в точке у края стока уменьшается и становится равным нулю при VD=VDS. Это явление называется отсечкой канала. При VD=VDS ток стока достигает максимального значения IDS. При больших напряжениях (VD>VDS) наступает насыщение (ID=IDS). Величина напряжения отсечки VDS находится из следующего выражения VDS = VG - 2SO + K (12) (1- 1+ 2VG / K ) где K = qN / C.

S A OX Рис. 2. Выходные характеристики идеального МОП-транзистора.

На рис. 2. приведены теоретические выходные характеристики МОП-транзистора.

Штриховая линия соединяет точки начала насыщения на характеристиках, соответствущих различным смещениям на затворе транзистора.

1.2. Физические ограничения в МОП-транзисторах.

Отличие характеристик реальных МОП-транзисторов от случая идеального транзистора обусловлено существованием поверхностных состояний (ПС) и заряда в окисле.

1. Заряд Qit, захваченный поверхностными состояниями, которые локализованы на границе раздела полупроводник-диэлектрик и энергия которых лежит в глубине запрещенной зоны полупроводника. Эти поверхностные состояния, называемые также граничными, могут достаточно быстро перезаряжаться, обмениваясь электронами (дырками) с полупроводником.

2. Фиксированный заряд окисла Qf, расположенный в окисле или в непосредственной близости от границы раздела.

Поскольку энергетические уровни состояний, захватывающих поверхностный заряд Qit, непрерывно распределены в запрещенной зоне полупроводника, вводится понятие энергетической плотности поверхностных состояний:

1 dQ it D = (13) it q dE Одной из причин возникновения поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводника заключается в том, что сама граница раздела является нарушением пространственной периодичности кристаллической решетки; вторая причина связывается с возникновением переходного нарушенного слоя при соединении граничащих фаз.

Влияние поверхностных состояний и заряда в окисле на характеристики реального транзистора проявляется в следующих чертах. Во-первых, пороговое напряжение VT не будет равно расчетному потенциалу сильной инверсии 2S0, этому также способствует наличие разности работ выхода материалов канала и затвора. Во-вторых, наклон подпороговой области передаточной характеристики будет больше идеального. Наконец, ток насыщения открытого канала (для данного VSD) будет меньше из-за дополнительного рассеяния носителей на граничных состояниях.

Методы определения параметров МОП-транзисторов.

Из основных характеристик транзистора можно определять параметры полупроводниковой подложки, диэлектрика и самого транзистора. Длина канала L и ширина Z являются конструктивными параметрами транзистора. Удельную емкость подзатворного диэлектрика COX, а следовательно, и его толщину находят, например, из измерения емкости затвора в режиме обогащения. Величину порогового напряжения VT и подвижность носителей µn можно рассчитать как из характеристик в линейной области, так и из характеристик в области отсечки. Экстраполяция участка выходной ВАХ в линейной области ID(VD) к значению ID=0 соответствует VG(ID0)=VT+VD/2 (14) Тангенс угла наклона tg передаточной ВАХ ID(VG) определяет величину подвижности µn (при VG>VT) L tg µ = (15) n ZC V OX D Таким образом, из статических ВАХ МОП-транзистора можно рассчитать большое количество параметров, характеризующих полупроводник диэлектрик и границу раздела между ними.

Рис. 3. Упрощенная схема для измерения кривой тока зарядовой накачки.

Для измерения параметров ПС в транзисторных структурах используются динамические методы исследования. Наиболее точным является метод зарядовой накачки (CP).

Этот метод позволяет получить информацию о средней по энергии плотности ПС, а также об энергетическом распределении состояний в запрещенной зоне полупроводника.

Затвор МДП-транзистора подключен к генератору, к системе сток-исток приложено обратное смещение по отношению к подложке (рис.3). Генератор вырабатывает возбуждающие импульсы (обычно трапецеидальной формы) определенной амплитуды VA с определенным смещением (пьедесталом) VB. Снимается зависимость тока подложки как функция приложенного к затвору напряжения пьедестала импульса VB. Этот ток вызван циклической рекомбинацией на межфазных ловушках (ПС) неосновных носителей, инжектируемых истоком и стоком, и основных носителей, идущих из подложки при переключении транзистора из режима инверсии в режим обогащения.





Рис. 4. Кривая тока зарядовой накачки.

Согласно теории Шокли-Рида ток зарядовой накачки будет прямо пропорционален плотности ПС, площади затвора и частоте импульсов. Амплитуду, частоту, времена нарастания и спада фронтов во время измерения сохраняют постоянными. Полученная зависимость тока подложки от приложенного к затвору напряжения пьедестала приведена на рис. 4. На ней можно выделить пять характерных областей. Область 1 соответствует явно выраженному эффекту зарядовой накачки, когда уровень пьедестала импульса меньше напряжения плоских зон, а вершина импульса выше порогового напряжения. При таких условиях ток зарядовой накачки достигает максимального значения. Ток зарядовой накачки, измеренный в цепи подложки, будет определятся следующим образом I = 2qD fS kT (16) CP it G где D - средняя плотность ПС по каналу, it SG - площадь затвора, f - частота импульсов.

На участках 2 и 3 ток зарядовой накачки равен нулю. На участке 2 уровни пьедестала и вершины импульса меньше напряжения плоских зон, т.е. транзистор всегда находится в режиме обогащения, поэтому ПС заполнены дырками. На участке 3 наоборот, канал постоянно открыт, и нет дырок достигающих поверхности. В обоих случаях величина тока подложки состоит только из токов утечки истока и стока. На участках 4 и 5 величина тока зарядовой накачки будет определяться рекомбинационными процессами при слабой инверсии.

Блок-схема и описание работы измерительной установки.

Блок-схема установки для измерения параметров МДП транзистора приведена на рис.4. Она состоит из устройства измерения тока, устройства формирования постоянных напряжений и устройства генерации сигнала специальной формы цифровым методом. Все устройства объединены общей шиной данных/управления и связаны через интерфейсную плату с персональной ЭВМ типа IBM PC по шине ISA.

Устройство формирования постоянных напряжений состоит из регистров, в которых хранятся цифровые коды генерируемых напряжений и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), которые вырабатывают эти напряжения. Первоначально, цифровой код, через программируемый порт ввода/вывода, выставляется на внутреннюю шину данных прибора. При подаче разрешающего сигнала на управляющие линии происходит запись кода в соответствующий регистр. Появившийся на выходе регистра код преобразуется цифро-аналоговым преобразователем в постоянное напряжение. ЦАП1 используется для генерации напряжения затвора (и пьедестала импульса в режиме CP), ЦАП2 и ЦАП3 для формирования напряжений стока и подложки соответственно.

Для генерации импульсного воздействующего напряжения для режима CP используется цифровой метод. Он позволяет получить сигнал любой формы в широком диапазоне частоты повторения. Информация о форме сигнала записывается и хранится в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). При записи информации в ОЗУ генерация адреса ячейки и байта данных осуществляется по внутренней шине данных/управления. При работе в CP режиме чтение из ОЗУ тактируется с помощью внутреннего тактового генератора через программируемый делитель частоты. Считанная информация поступает на быстродействующий ЦАП4, где преобразуется в аналоговый сигнал. Полученный сигнал поступает на суммирующий усилитель, где он накладывается на постоянное смещение, генерируемое с помощью ЦАП1. На выходе усилителя получается импульс заданной формы с заданным смещением. Цифровой метод формирования импульсного воздействующего напряжения обеспечивает универсальность и гибкость измерительной системы.

Для измерения тока применяется электрометрический преобразователь сопротивлений, выходное напряжение которого кодируется в последовательность стандартных импульсов (т.е. в частоту). Полный диапазон измеряемых токов в объекте от 1 пА до 1 мА разбит на 4 интервала, выбор каждого из них осуществляется программно.

Рис. 4. Блок-схема измерителя параметров МОП транзисторов Режим измерения (т.е. тип регистрируемой ВАХ) задается программно, с помощью входного блока коммутации выводов МДП транзистора. Измеряемый объект размещается непосредственно в корпусе измерительной установки для уменьшения внешних наводок.

Структура управляющей программы и пользовательский интерфейс.

Программа управления измерителем характеристик полевых транзисторов организована как многодокументное приложение, управляемое из главного диалогового окна (рис.4). Из главного окна могут быть запущены: (1) модули проведения измерений (измерение выходных и передаточных характеристик полевого транзистора и измерение токов по методу зарядовой накачки); (2) интерактивная подсказка, указывающая на то, какие дальнейшие действия должен осуществить пользователь; (3) модуль математических расчетов, обрабатывающий результаты измерений; (4) модуль-интерфейс к среде моделирования элементов интегральных схем Microtec™, который организует управление группами параметров и ввод значений параметров для запуска расчетных программ Microtec™; (5) модуль графического вывода, визуализирующий серии экспериментальных и расчетных кривых.

Рис.5. Иерархическая структура главного окна процедур и данных.

1. Измерения передаточной и выходной ВАХ.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.