Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE \* MERGEFORMAT 42
Рисунок 1 – Воздействие электрического поля на полупроводник n-типа
а) – образование обогащенного слоя; б) образование обедненного слоя;
в) – образование инверсного слоя;
1 – МДП-структура; 2 – распределение электрического поля в МДП-структуре;
3 – распределение концентрации носителей заряда в МДП-структуре.
Рисунок 2 – Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором и индуцированным каналом
а) - с n-каналом, б) – с p-каналом
а)
б)
p+
p+
n+
n+
Si n-типа
Si p-типа
-
-
+
+
Рисунок 3 – Условные обозначения полевых транзисторов с индуцированным n-каналом (а) и р-каналом (б)
1
2
3
))
б))
Рисунок 4 – Идеальные вольт-амперные характеристики МОП-транзистора с индуцированным n-каналом (а); объяснение насыщения тока изменением сечения канала при увеличении напряжения исток-сток (б).
б,1) UСИ < UЗИ; б,2) UСИ ≈ UЗИ; б,3) UСИ > UЗИ;
а) б)
Рисунок 5 – Схема ключа на МОП-транзисторе с каналом n-типа (а);
логические состояния ключа (б)
Рисунок 6 – Ключевая схема на комплементарной МОП-паре (а);
логические состояния ключа (б)
а) б)
Рисунок 7 – Полевой транзистор, предложенный Лилиенфельдом
(патент US № 1900018А, приоритет от 28.03.1928 г.)
Закон Мура
Транзисторы
Годы
Рисунок 8 – Иллюстрация выполнения закона Мура
Годы
Длина канала, мкм
Рисунок 9 - Уменьшение характерного размера – длины канала МОП-транзисторов микропроцессоров
Исток
Сток
Затвор
HfO2
Рисунок 10 – Снимок поперечной структуры 45-нм МОП транзистора с затвором из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости (High k).
Рисунок 11 – Схема для снятия характеристик МОП-транзистора
Лабораторная работа № 56
ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
Цель работы:
Эффект поля
Цифровая техника (микропроцессоры, память, логика) базируется на двоичной системе единиц. Технической реализацией таких состояний является электронный ключ. Ключ закрыт, есть на нём напряжение – логическая единица; ключ открыт, напряжение на нём отсутствует – логический ноль. Ранее ключи реализовались с помощью реле, электронных ламп, биполярных транзисторов. «Кирпичиком» современной цифровой техники является полевой транзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор, управление током которого ведется с помощью поперечного электрического поля.
Под эффектом поля понимается изменение проводимости приповерхностного слоя полупроводника в структуре металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура), в которой используется высокоомный полупроводник, содержащий низкую концентрацию носителей заряда. Рассмотрим это явление более детально на примере структуры металл-оксид кремния-кремний n-типа (рисунок 1).
При подаче на металлический электрод положительного потенциала (рисунок 1,1) к поверхности полупроводника притягиваются основные носители заряда (для кремния n-типа – электроны) и отталкиваются неосновные носители заряда – дырки. Этот режим называется режимом обогащения. При этом уменьшается продольное сопротивление поверхностного слоя полупроводника.
При подаче на металлический электрод отрицательного потенциала (рисунок 1,2) электроны отталкиваются от поверхности полупроводника, а дырки, наоборот, притягиваются (режим обеднения). При этом продольное сопротивление поверхностного слоя полупроводника возрастает.
При дальнейшем увеличении отрицательного потенциала на металлическом электроде концентрация неосновных носителей заряда (дырок) может превзойти концентрацию основных носителей заряда (электронов). Этот режим называется режимом инверсии (рисунок 1,3). В режиме инверсии у поверхности полупроводника образуется канал проводимости, отделенный от основного слоя полупроводника обедненной областью образовавшегося p-n-перехода. Толщина и удельное сопротивление этого канала будут возрастать с ростом отрицательного потенциала на металлическом электроде.
Все сказанное для полупроводника n-типа справедливо и для полупроводника p-типа с учетом необходимости смены знака потенциала на металлическом электроде и того, что основными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются дырки, а неосновными – электроны.
Именно эти явления и лежат в основе работы полевых транзисторов со структурой МДП. Как правило, эти транзисторы изготавливаются на кремнии, и диэлектриком для них служит окисел кремния SiO2. Поэтому их обычно называют МОП-транзисторы (МОП – металл-окисел-полупроводник). Международный термин – MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor).
Устройство и принцип действия МОП-транзистора
В кристалле полупроводника с высоким удельным сопротивлением (подложка) созданы две сильно легированные области с противоположным типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями может составлять десятые и сотые доли микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким (порядка 0,01 мкм) слоем диэлектрика (обычно - окисел кремния SiO2, выращенный путем высокотемпературного окисления). На слой диэлектрика нанесен металлический управляющий электрод – затвор. В данной работе рассматриваются полевые транзисторы с индуцированным каналом, образующимся в режиме инверсии. Это означает, что канал проводимости между областями истока и стока в обычном состоянии (напряжение между затвором и истоком равно нулю) отсутствует (рисунок 2).
Транзисторы могут изготавливаться на кремнии как p-типа, так и на кремнии n-типа. Для структур, изготовленных на кремнии p-типа и имеющих n-канал,
для сбора носителей заряда на сток подаётся положительное напряжение относительно истока (рисунок 2,а). Если же структуры изготовлены на кремнии n-типа и имеют p-канал, на сток подаётся отрицательное напряжение относительно истока (рисунок 2,б).
Условные обозначения транзисторов с индуцированным каналом приведены на рисунке 3.
Вольт-амперные характеристики МОП-транзистора с индуцированным n-каналом представлены на рисунке 4. Здесь же показаны явления, происходящие в канале при различных напряжениях на стоке транзистора.
В рабочем режиме при протекании по каналу тока напряжение затвора напряжение на затворе для различных участков канала оказывается неодинаковым. Оно изменяется от UЗИ вблизи истока до UЗИ - UСИ вблизи стока. Следовательно, толщина канала и его удельная проводимость уменьшаются от истока к стоку. Соответственно уменьшается и общая проводимость канала.
При малых напряжениях UСИ эти изменения незначительны (рисунок 4, б-1). При напряжении сток-исток UСИ = UЗИ - UЗИ пор напряжение между затвором и участком канала, примыкающим к стоку, становится равным пороговому напряжению, и инверсная область здесь исчезает. Соответственно, инверсный канал смыкается. В точке смыкания обедненный слой р-слой касается изолирующего подзатворного слоя окисла SiO2. Это вызывает не прекращение тока, а ограничение его величины (насыщение). Объясняется это тем, что электроны канала, являясь неосновными носителями для обедненного p-слоя, свободно проходят через обратно смещенный n+p-переход сток-подложка (рисунок 4, б-2). При дальнейшем увеличении напряжения на стоке точка смыкания канала все более отодвигается от стока (рисунок 4,б-3). Ширина же обедненной области пространственного заряда вблизи стока возрастает.
Ключевой режим работы МОП-транзистора
Рассмотрим работу ключа на МОП-транзисторе с n-каналом, изготовленного на кремнии р-типа. (рисунок 5,а) При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, ток стока оказывается ничтожно малым. Это означает, что транзисторный ключ закрыт, напряжение сток-исток максимально, что соответствует логической единице (рисунок 5,б, строка 1).
Подача на затвор положительного относительно истока напряжения приводит к отталкиванию основных носителей - дырок - от поверхности полупроводника и притяжению к поверхности неосновных носителей – электронов (режим обеднения). При определенном значении напряжения на затворе относительно истока (пороговое напряжение UЗИ пор) концентрация электронов у поверхности становится выше концентрации дырок, и проводимость поверхностного слоя меняется с дырочной на электронную (режим инверсии). При этом в поверхностном слое возникает проводящий n-канал и появляется заметный ток стока. Чем больше напряжение на затворе, тем больше инверсия и тем больше ток, протекающий через транзистор. При этом падает напряжение между истоком и стоком - транзисторный ключ открыт, что соответствует логическому нулю (рисунок 5,б строка 2).
Недостатком данных ключей является наличие резисторов, которые занимают в подложке значительно больше места, чем транзистор. Поэтому наиболее широко применяются интегральные микросхемы, у которых вместо резистора также применяется МОП - транзистор, но с каналом другого типа проводимости. Такие взаимодополняющие структуры получили название комплементарных МОП – пар (рисунок 6).
Если на затворы такой МОП-пары подать сигнал логического нуля, то в транзисторе VT2 (c каналом n-типа проводимости) канал будет отсутствовать, а в транзисторе VT1 с каналом p-типа канал будет индуцирован, т. к. на затворе относительно истока будет действовать отрицательное напряжение. Через этот канал выход Y соединяется с плюсом источника питания ИП, и на выходе будет высокий уровень логической единицы.
При подаче на вход логической единицы канал в транзисторе VT1 исчезает, а в VT2 канал индуцируется и через этот канал соединяется с нулевым потенциалом общего провода, следовательно, на выходе будет логический ноль.
Достоинства комплементарной МОП – пары – отсутствие резисторов, что позволяет повысить степень интеграции; очень малое потребление тока, т. к. между плюсом и минусом источника питания всегда оказывается транзистор, у которого нет канала.
История и современность
Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1928 году Юлиусом Лилиенфельдом (рисунок 7).
Автор изобретения указал в патенте, что сопротивление канала (слой полупроводникового CuS) управляяется путем подачи напряжения на затвор транзистора, что полностью отвечает современным представлениям о работе полевого транзистора. Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в серийное производство из-за низкого уровня полупроводниковой технологии того времени.
Полевые транзисторы стали стремительно развиваться и внедряться в 70-е годы XX века, когда был достигнут прогресс в развитии физики, техники и технологии полупроводников. Транзисторы изготавливаются на одном кремниевом кристалле (чипе) в рамках интегральной технологии.
Наиболее ярко фантастически быстрое развитие полупроводниковой электроники отражено в так называемом «Законе Мура», согласно которому количество транзисторов в микросхемах должно удваиваться каждые два года. Гордон Мур сделал это предсказание в 1965 году, когда самая сложная микросхема содержала всего 65 транзисторов. И тем удивительнее, что этот закон выполняется уже в течение сорока пяти лет. Число транзисторов в современных микропроцессорах уже достигло двух миллиардов (рисунок 8).
Эмпирическая формула закона Мура имеет вид
.
Простые расчеты показывают, что для 2010 года количество транзисторов в микропроцессоре составит N = 1 000 000 000 (один миллиард). В действительности эта цифра превзойдена уже в 2006 году.
Особенностью полевых транзисторов является малое энергопотребление, что и позволяет размещать на кристалле площадью (1 ÷ 2)см2 сотни миллионов и миллиарды транзисторов. Размеры современных МОП-транзисторов уменьшены до 32 нм, что в десять раз меньше длины волны ультрафиолетового излучения, с помощью которого получаются рисунки микропроцессоров. Уменьшение длины канала МОП-транзисторов коммерческих интегральных схем представлено на рисунке 9.
Напряжение питания микропроцессоров за это время уменьшилось на порядок - с 12 В до 1,2 В, но в связи с увеличением числа транзисторов потребляемая мощность возросла более, чем в пятьдесят раз – с 0,2 до 100 Вт. Однако значительная часть этой мощности (более 20%) рассеивается бесполезно, так как связана с токами утечки (в основном через подзатворный окисел миллионов транзисторов). Выход был найден в замене окисла кремния, толщина которого составляет 1,2 нм (что эквивалентно пяти атомным слоям) на материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости (High k) – двуокись гафния (рисунок 10). Это позволило увеличить толщину окисла до 3 нм и снизить токи утечки в сотни раз. Специалисты фирмы Intel называют данное решение революционным. А в перспективе они планируют перейти на размер 22 нм (2011 год) и 16 нм (2013 год).
Схема установки
Схема установки для исследования характеристик полевого транзистора представлена на рисунке 11. Она содержит исследуемый транзистор VT1, регулятор напряжения сток-исток R1, источник напряжения смещения GB1, подаваемого на затвор транзистора, вольтметр PV для измерения напряжения сток-исток и микроамперметр PA для измерения тока стока.
Порядок проведения измерений и обработки результатов
1. Подключить к источнику питания ВС 4-12 схему, представленную на рисунке 11.
2. Переключатель выходного напряжения источника питания ВС 4-12 установить в положение «12 В».
3. Подать на затвор с помощью ключа К напряжение 1 – 1,5 В. Увеличивая напряжение от 0 до 12 В при помощи вращения ручки потенциометра R, снять стоковую характеристику транзистора. Изменять напряжение на стоке ступенчато с шагом в 1 В. Результаты измерений напряжения и соответствующего тока записывать в таблицу.
4. Снять стоковую характеристику транзистора при напряжении на затворе =0 В (т.е. повторить измерения пункта 3, но при разомкнутом ключе К).
5. Построить стоковые характеристики, т.е. зависимость между током и напряжением при двух различных напряжениях на затворе.
Таблица
|
=1 В |
=0 |
||
|
, В |
, мА |
, В |
, мА |
|
1 |
|||
|
2 |
|||
|
… |
Контрольные вопросы
Список литературы