Физические основы электроники : полевые приборы

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 2539

Кафедра полупроводниковой электроники и физики 
полупроводников

 

Физические основы 
электроники

Полевые приборы

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским советом 
университета

Москва  2016

УДК 621.38
 
Ф50

Р е ц е н з е н т
канд. физ.-мат. наук, доц. О.И. Рабинович

А в т о р ы :
С.И. Диденко, В.П. Астахов, Ф.М. Барышников,
И.В. Борзых, Т.М. Хрусталёва

 
 
Физические основы электроники : полевые приборы : лаб. пракФ50 тикум / C.И. Диденко [и др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 
56 с.

В практикуме приводятся описания лабораторных работ, предназначенных 
для детального и углубленного изучения физических процессов в приборах и 
структурах современной полупроводниковой электроники – полевых транзисторах с управляющим p–n переходом и МДП-структурой, а также вольтфарадных характеристик структур металл–диэлектрик–полупроводник.
Предназначен для студентов направления 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника».

УДК 621.38



Коллектив авторов, 2016
НИТУ «МИСиС», 2016

СОДЕРЖАНИЕ

Основные правила техники безопасности при выполнении 
лабораторных работ ..............................................................................4
Лабораторная работа 1. Изучение статических вольт-амперных 
характеристик полевых транзисторов с затвором в виде
p–n перехода и барьера Шоттки ...........................................................6
Лабораторная работа 2. Исследование вольт-фарадных 
характеристик структур металл–диэлектрик–полупроводник ........22
Лабораторная работа 3. Изучение статических вольт-амперных 
характеристик полевых МДП-транзисторов .....................................36

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ 
БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ 
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Выполнение лабораторных работ связано с использованием 
электрорадиоизмерительных приборов и стендов, являющихся источниками повышенной опасности, так как некоторые элементы их 
находятся под высоким напряжением. Поэтому к лабораторным работам студенты допускаются только после инструктажа по технике 
безопасности, о получении которого должны свидетельствовать их 
личные подписи в контрольном листе инструктажа студентов по технике безопасности. 
2. Студент, работающий в лаборатории, обязан руководствоваться 
инструкциями и всеми дополнительными указаниями преподавателей 
о соблюдении мер безопасности при работе с установками. Выполнение работ в отсутствии преподавателя или лаборанта запрещается.
3. Студенты, лично не выполняющие правила техники безопасности или допускающие их нарушения в отношении других лиц, отстраняются от выполнения работ и привлекаются к ответственности.
4. Запрещается загромождать столы и рабочее место посторонними 
предметами (сумками, портфелями, чемоданами, одеждой) и приборами, не относящимися непосредственно к выполняемой работе.
5. Перед выполнением практической части лабораторного задания необходимо внимательно ознакомиться с описанием работы, 
схемой включения приборов, обратив особое внимание на цепи, находящиеся под повышенным напряжением.
6. Прежде чем включать в сеть электрорадиоизмерительные приборы и стенды, необходимо убедиться в наличии надежного зануления корпусов приборов. Работа с незануленными или неисправными приборами, установками и стендами, не имеющими защитных 
кожухов, запрещается.
7. Первое включение собранной схемы, а также ее включение после внесения изменений производится только с разрешения преподавателя или лаборанта.
8. Пользоваться кабелями питания с поврежденной изоляцией 
проводников, вилок, разъемов, а также поврежденными штепсельными розетками запрещается.
9. Все производимые в схеме установки изменения, снятие испытуемых приборов и переключения должны осуществляться только в 

полностью обесточенных цепях. После подачи напряжения прикосновение к открытым токоведущим частям схемы или исследуемых 
полупроводниковых приборов запрещается.
10. При пользовании переносными электрорадиоизмерительными приборами (например, тестерами) последние должны располагаться на стеллажах или столах. Запрещается во время измерений 
держать эти приборы в руках или на коленях.
11. Запрещается оставлять без надзора включенные установки и 
приборы.
12. Запрещается бесцельное хождение пo лаборатории, посторонние разговоры, отвлечение других от выполняемой работы.
13. При обнаружении неисправности в оборудовании (погасание индикаторной дампы, искрение, дым и т.п.) или резком зашкаливании измерительных приборов необходимо принять меры к немедленному обесточиванию приборов и устранению неисправности 
вместе с преподавателем иди лаборантом и по их указаниям.
14. Если произошел несчастный случай, то необходимо немедленно отключить установку от сети, сообщить о случившемся преподавателю или лаборанту и оказать первую помощь пострадавшему.

Лабораторная работа 1

ИЗУЧЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ 
ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
С ЗАТВОРОМ В ВИДЕ p–n ПЕРЕХОДА И БАРЬЕРА ШОТТКИ

1.1. Цель работы

Изучение статических вольт-амперных характеристик и определение основных параметров полевых транзисторов с затвором в виде 
p–n перехода и барьера Шоттки.

1.2. Теоретическое введение

Полевой транзистор (ПТ) с p–n переходом в качестве затвора 
выполняет функцию резистора, управляемого напряжением. Проводимость канала полевого транзистора с p–n переходом в качестве 
затвора определяется основными носителями, поэтому его также называют «униполярным» транзистором. Принцип действия полевого 
транзистора типа металл–полупроводник (МП-транзистор) идентичен принципу работы полевого транзистора с p–n переходом в качестве затвора. Разница состоит лишь в том, что в МП-транзисторе в 
качестве затвора использован выпрямляющий контакт металл–полупроводник (барьер Шоттки).
На рис. 1.1 схематично представлены конструкции неуправляемого резистора (рис. 1.1, а), полевого транзистора с p–n переходом 
(рис. 1.1, б) и МП-транзистора (рис. 1.1, в).
Особенностью работы полевых транзисторов с p–n переходом и 
МП-транзисторов является то, что управление выходным током осуществляется за счет изменения геометрических размеров канала и, 
следовательно, его полной проводимости. 
Полевые транзисторы обладают рядом достоинств в сравнении с биполярными транзисторами при их использовании в аналоговых переключателях, усилителях с высокоомным входом, 
СВЧ-усилителях и интегральных схемах. Они имеет более высокое 
входное сопротивление. Так как полевые транзисторы являются 
униполярными приборами, они не чувствительны к эффектам накопления неосновных носителей и поэтому имеют более высокие граничные частоты и скорости переключения.

Полевой транзистор с p–n переходом в качестве затвора представляет собой проводящий канал с двумя омическими контактами – 
стоком и истоком. Третий электрод структуры – затвор – сформирован к области с другим типом проводимости, которая образует с 
каналом p–n переход. Сопротивление канала будет меняться с изменением толщины области пространственного заряда (ОПЗ), распространяющейся в канал. Рассмотрим основные режимы работы ПТ на 
модели проводящего n-канала, ограниченного двумя р +-областями.
1. Напряжения, прикладываемые к электродам: Uc – напряжение, 
поданное на электрод, – сток; Uз – напряжение, поданное на затвор; 

Рис. 1.1. Схематические конструкции:
а – неуправляемого резистора; б – полевого транзистора
с p–n переходом; в – МП-транзистора (БШ – барьер Шоттки)

Uи – напряжение на истоке. На рис. 1.2, а указаны основные размеры, 
характеризующие рассматриваемую структуру: длина канала L, его 
толщина a, а также локальная ширина обедненного слоя h и соответствующая локальная толщина проводящего канала b при условии, что 
Uс = Uз = Uи = 0. В отсутствие напряжений смещения прибор находится в термодинамическом равновесии, и все токи равны нулю. Ширина ОПЗ в этом случае определяется только контактной разностью потенциалов и уровнем легирования областей n и р+: WОПЗ1 = f(ϕk).
2. Uс = Uи = 0, Uз < 0 (рис. 1.2, б). Полярность приложенных напряжений соответствует n-канальному полевому транзистору (для 
p-канального прибора полярность напряжений питания должна 
быть противоположной). В этом случае р+–n переход оказывается 
обратно смещенным и WОПЗ2 = f(ϕk + Uз) > WОПЗ1 и, следовательно, 
толщина канала уменьшилась.
3. Uи = 0, Uс > 0, Uз < 0 (рис. 1.2, в). При таком режиме работы транзистора ширина ОПЗ (и, следовательно, толщина канала) со стороны 
стока и истока будет разной, поскольку со стороны истока р+–n переход будет находиться под потенциалом ϕk + Uз и WОПЗ = f(ϕk + Uз), а со 
стороны стока добавляется потенциал стока (обратное смещение на 
р+–n переходе и WОПЗ = f(ϕk + Uз + Uс). При фиксированном напряжении на затворе (нулевом или отрицательном) и дальнейшем увеличении напряжения на стоке возникает момент, когда область пространственного заряда занимает весь канал (рис. 1.2, г). Напряжение 
на стоке в этом случае называется напряжением стока насыщения
Uс нас, а протекающий в канале ток – током стока насыщения Iс нас. 
Напряжение отсечки, при котором канал перекрывается областью
пространственного заряда, равно Uотс = ϕk + Uз + Uс нас. При дальнейшем увеличении напряжения на стоке ток стока изменяется слабо и 
остается примерно равным току насыщения до тех пор, пока не начнется лавинный пробой p+–n перехода затвор–канал, после чего ток 
стока резко возрастает при увеличении напряжения.
Типичные вольт-амперные характеристики (ВАХ) полевого транзистора с p–n переходом представлены на рис. 1.3. На этих характеристиках следует различать четыре области: линейную (при малых напряжениях на стоке), где ток стока пропорционален напряжению на стоке; 
переходную область, более слабого роста тока из-за полевой зависимости подвижности; область насыщения, где ток стока Iс
  не зависит от напряжения стока; область пробоя, где ток стока стремительно растет при 
сравнительно небольших приращениях напряжения на стоке.

Рис. 1.2. Схематичное поперечное сечение ПТ при различных режимах 
работы (и – исток; з – затвор; с – сток)

Рис. 1.3. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p–n переходом

Проведем анализ ВАХ длинноканального (L >> a) полевого транзистора с p–n переходом, воспользовавшись следующими предположениями:
1) приближением плавного канала;
2) независимостью подвижности носителей заряда от электрического поля.
Учитывая симметрию модели ПТ с р+–n переходом, рассмотрим 
только верхнюю половину ПТ (рис. 1.4).
Приближение плавного канала состоит в том, что для распределения потенциала в обедненном слое можно записать одномерное 
уравнение Пуассона, решив которое можно найти потенциал в любой плоскости области пространственного заряда:

 

2

2
п
0

( )
y
dE
d U
y
dy
dy

ρ
ε ε
=
=
, 
(1.1)

где Ey – поперечное электрическое поле;
ρ(y) – распределение плотности зарядов, которое зависит от 
распределения легирующей примеси, ρ(y) = qf(ND). Например, 
для равномерно легированного донорами с концентрацией ND 
канала ρ(y) = qND;

εп – относительная диэлектрическая проницаемость проводника;
ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

Интегрируя выражение (1.1), получаем выражение для поля Еy:

 

п
0
0

1
( )
const .

y
dU
y dy
dy
ρ
ε ε

é
ù
ê
ú
=+
ê
ú
ê
ú
ë
û
ò
 
(1.2)

Константа определяется из условия резких границ: поле 
существует только в области пространственного заряда, вне его поле 
равно нулю: y = h, Eh = 0:

п
0
п
0
0
0

1
1
0
( )
const
const
( )

h
h
dU
y dy
y dy
dy
ρ
ρ
ε ε
ε ε

é
ù
ê
ú
=+

=

=
ê
ú
ê
ú
ë
û
ò
ò

п
0
0
0

1
( )
( )

y
h
y dy
y dy
ρ
ρ
ε ε

é
ù
ê
ú
=
ê
ú
ê
ú
ë
û
ò
ò
,

т.е.

 

п
0
0
0

1
( )
( )

y
h

y
dU
Е
y dy
y dy
dy
ρ
ρ
ε ε

é
ù
ê
ú
=
=
ê
ú
ê
ú
ë
û
ò
ò
. 
(1.3)

Обозначив 

0
0
( )
( )
,
( )
( )

y
h
Q y
y dy
Q h
y dy
ρ
ρ
=
=
ò
ò
, получим после вто
рого интегрирования выражение для потенциала в любой плоскости 
y – U(y): 

Рис. 1.4. Поперечное сечение верхней половины полевого транзистора 
с p–n переходом