Теория и расчет полупроводниковых приборов и интегральных схем : полевые транзисторы. Ч. 2

№ 1664 

Кафедра полупроводниковой электроники 
и физики полупроводников 

Г.И. Кольцов, Н.Н. Горюнов, С.И. Диденко 

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ 
И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ 

Раздел: Полевые транзисторы 

Лабораторный практикум 
для студентов специальности 2001 и направления 5507  

Часть 2 
Лабораторные работы 7 – 10 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

МОСКВА 2001 

УДК 621.382 
 
К62 

К62 
Кольцов Г.И., Горюнов Н.Н., Диденко С.И. Теория и расчет полупроводниковых приборов и интегральных схем: Полевые 
транзисторы: Лаб. практикум. – М.: МИСиС, 2001.Ч.2. – 84 с. 

Приводится описание лабораторных работ, предназначенных для детального и углубленного изучения физических процессов в приборах и 
структурах современной полупроводниковой электроники – полевых транзисторах с управляющим переходом и МДП-структурой, вольт-фарадных 
характеристик структур металл – диэлектрик – полупроводник. 

Работы предназначены, главным образом, для студентов обучающихся по специальности 2001 и направлению 5507. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС) 2001 

СОДЕРЖАНИЕ 

Основные правила техники безопасности при выполнении 
лабораторных работ .................................................................................4 
Лабораторная работа 7 

Изучение статических  вольт-амперных характеристик 
полевых транзисторов с затвором в виде p – n-перехода и 
барьера Шоттки ....................................................................................6 

Лабораторная работа 8 

Исследование вольт-фарадных характеристик структур 
металл – диэлектрик – полупроводник (МДП)................................23 

Лабораторная работа 9 

Изучение статических вольт-амперных характеристик 
полевых МДП-транзисторов..............................................................45 

Лабораторная работа 10 

Исследование физической эквивалентной схемы полевого 
транзистора на высокой частоте .......................................................68 

Приложение. Основные параметры МДП-транзисторов....................84 

3 

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ 
БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ 
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

Выполнение лабораторных работ связано с использованием 
электрорадиоизмерительных приборов и стендов, являющихся источниками повышенной опасности, так как некоторые их элементы находятся под высоким напряжением. Поэтому к лабораторным работам студенты допускаются только после инструктажа по технике 
безопасности, о прохождении которого должны свидетельствовать 
их личные подписи в специальном журнале. 

Студент, работающий в лаборатории, обязан руководствоваться инструкциями и всеми дополнительными указаниями преподавателей о соблюдении мер безопасности при работе с установками. 
Выполнение работ при отсутствии преподавателя или лаборанта запрещается. 

Студенты, не выполняющие правила техники безопасности, 
или допускающие их нарушения в отношении других лиц, отстраняются от выполнения работ и привлекаются к ответственности. 

Запрещается загромождать столы и рабочее место посторонними предметами (сумками, портфелями, чемоданами, одеждой) и приборами, не относящимися непосредственно к выполняемой работе. 

Перед выполнением практической части лабораторного задания необходимо внимательно ознакомиться с описанием работы, схемой   включения приборов, обратив особое внимание не цепи, находящиеся под повышенным напряжением. 

Прежде чем включать в сеть электрорадиоизмерительные 
приборы и стенды, необходимо убедиться в наличии надежного «зануления» корпусов приборов. Запрещается работать с «незануленными» или неисправными приборами, а также установками и стендами, не имеющими защитных кожухов. 

4 

Первое включение собранной схемы, а также ее включение 
после внесения изменений производится только с разрешения преподавателя или лаборанта. 

Запрещается пользоваться кабелями питания с поврежденной 
изоляцией проводников, вилок, разъемов, а также поврежденными 
штепсельными розетками. 

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. 

При использовании переносных электрорадиоизмерительных 
приборов (например, тестеров), их необходимо располагать на стеллажах или столах. Запрещается во время измерений держать эти приборы в руках или на коленях. 

Запрещается оставлять без надзора включенные установки и 
приборы. 

Запрещается бесцельное хождение пo лаборатории, посторонние разговоры, отвлечение других от выполняемой работы. 

При обнаружении неисправности оборудования (погасшая 
индикаторная лампа, искрение, дым и т. п.), а также резком зашкаливании измерительных приборов необходимо принять меры 
к немедленному обесточиванию приборов и устранению неисправности вместе с преподавателем или лаборантом в соответствии с их указаниями. 

Если произошел несчастный случай, необходимо немедленно 
отключить установку от сети, сообщить о случившемся преподавателю иди лаборанту и оказать первую помощь пострадавшему. 

5 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 

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

(4 часа) 

7.1. Цель работы 

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

7. 2. Введение 

Полевой транзистор с затвором в виде p – n-перехода выполняет функцию резистора, управляемого с помощью напряжения. 
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 МПтранзисторе в качестве затвора использован выпрямляющий контакт 
металл-полупроводник, называемый барьером Шоттки (БШ). 

На рис. 7.1 представлены схемы неуправляемого резистора 
(рис. 7.1, а), полевого транзистора с p – n-переходом (рис. 7.1, б) и 
МП-транзистора (рис. 7.1, в). 

6 

Рис. 7.1. Схемы неуправляемого резистора (а); полевого транзистора 
с p – n-переходом (б) и МП-транзистора (в) 

7 

Особенностью работы полевых транзисторов с p – nпереходом и МП-транзисторов является то, что управление выходным током осуществляется путем изменения геометрических 
размеров канала, а, следовательно, его полной проводимости. 

Полевые транзисторы обладают несомненными достоинствами при использовании в аналоговых переключателях, усилителях с высокоомным входом, СВЧ-усилителях и интегральных 
схемах. Они имеют более высокое входное сопротивление по 
сравнению с биполярными транзисторами. 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 затвором в виде p – n-перехода 
представляет собой проводящий канал с двумя омическими контактами – стоком и истоком. Третий электрод структуры – затвор – образует с каналом выпрямляющий p – n-переход. Сопротивление канала изменяется 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, следующие: 

UСТ – напряжение, поданное на электрод–сток; 
UЗ – напряжение, поданное на затвор; 
UИ – напряжение на истоке. 
На рис. 7.2, 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 
UСТ = UЗ = UИ = 0. 

8 

Рис. 7.2. Схемы, иллюстрирующие различные режимы работы ПТ 

9 

В отсутствии 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. Напряжения, прикладываемые к электродам, следующие: UС = UИ = 0, UЗ < 0 (рис. 7.2, б). Полярность приложенных напряжений соответствует полярности напряжений n-канального полевого транзистора; 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. Следовательно, толщина канала 
уменьшилась. 

3. Напряжения, прикладываемые к электродам: UИ = 0, 
UСТ > 0, UЗ < 0 (рис. 7.2, в). 

При таком режиме работы транзистора ширина ОПЗ (и следовательно толщина канала) со стороны стока и истока разная, поскольку со стороны истока р+ – n-переход находится под потенциалом ϕk + UЗ и WОПЗ = f(ϕk + UЗ), а со стороны стока добавляется потенциал 
стока 
(обратное 
смещение 
р+ – n-переход) 
на 
и 
WОПЗ = f(ϕk + UЗ + UСТ). 

При фиксированном значении напряжения на затворе – нулевом или отрицательном – и дальнейшем увеличении напряжения на 
стоке возникает момент, когда область пространственного заряда 
занимает всю толщину канала (рис. 7.2, г). Напряжение на стоке в 
этом случае называется напряжением стока насыщения UСТ.НАС, а 
протекающий в канале ток – током стока насыщения IСТ.НАС.  

Напряжение отсечки, при котором канал перекрывается областью пространственного заряда, равно: UОТС = ϕk + UЗ + UСТ.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-диода затвор – канал, после чего 
ток стока резко возрастает при увеличении напряжения. 

Типичные вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p – n-переходом представлены на рис. 7.3. На этих характеристиках следует различать четыре области: 

– линейную – при малых напряжениях на стоке, где ток стока 
пропорционален напряжению на стоке; 

10 

– переходную область более слабого роста тока вследствие 
полевой зависимости подвижности; 

– область насыщения, где ток стока IСТ не зависит от напряжения стока; область пробоя, где ток стока стремительно растет при 
сравнительно небольших приращениях напряжения на стоке. 

Рис. 7.3. Вольт-амперные характеристики 
полевого транзистора с p – n-переходом 

Проведем анализ вольт-амперных характеристик длинноканального (L >> a) полевого транзистора с p – n-переходом, воспользовавшись следующими допущениями: 

1 – приближением плавного канала; 
2 – независимостью подвижности носителей заряда от электрического поля. 

Учитывая симметрию модели полевого транзистора с  
р+ –n -переходом, 
рассмотрим 
только 
верхнюю 
ее 
половину 
(рис. 7.4). 

11