Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР

ГОРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени А.А. ЖДАНОВА

МДП-ТРАНЗИСТОРЫ

Учебное пособие к лабораторной работе

Вольтамперные характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором

по курсу

"Электроника"

Горький

1986

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.

4.1 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).

Э тот 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.

П ри 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.