Определение основных электрических параметров тонкопленочных полевых транзисторов по их вольтамперным характеристикам
1. Цель работы
Цель настоящей работы – знакомство с методикой определения электрических параметров полевых транзисторов и прикладным программным обеспечением автоматизированного измерительного комплекса; определение основных электрических параметров по измеренным ранее их статическим вольтамперным характеристикам.
2. Методика определения основных параметров полевых транзисторов
Электрические параметры полевых транзисторов определяют по их статическим ВАХ, измеренным в лабораторной работе 4.
1) По выходной статической ВАХ ID=f(UD) при UG=0 определяют следующие параметры полевого транзистора:
ID0 - экстраполированое значение тока стока при UD→0 В, UG=0 В;
UDS0 и IDS0 - напряжение и ток насыщения выходной ВАХ при UG=0 В;
IDS - значение тока стока при UD=UD0, UD0>UDS0, UG=0 В;
при UD= UD0, UG=0 В – проводимость «сток – исток» в области насыщения.
2) По проходной статической ВАХ ID=f(UG) при UD=const определяют следующие параметры и зависимости.
- зависимость корня квадратного от напряжения на затворе UG при напряжения на стоке UD=UD0, используемая для определения порогового напряжения;
U0 - значение порогового напряжения (определенное по линейной зависимости при UD=UD0;
U00 - значение порогового напряжения (при UD= UD0, ID=10 мкА);
- зависимость крутизны проходной ВАХ S от напряжения на затворе UG при напряжения на стоке UD=UD0;
S крутизна проходной ВАХ UG=0 В;
UG(Sm) – значение напряжения на затворе, при котором крутизна максимальна;
Sm – максимальная крутизна проходной ВАХ при UD=UD0.
3. Экспериментальная часть
Расчет параметров полевых транзисторов производится на управляющем компьютере измерительного стенда, состоящего из следующих блоков:
- устройство зондовое, состоящее из контактного стола, трех зондодержателей с зондами, микроскопа и устройства коммутации собственного изготовления;
- двухканальный источник/измеритель вольтамперных характеристик Agilent E5273A (производства фирмы Agilent Technologies);
- управляющий компьютер;
- ППО фирмы Agilent Technologies, позволяющее проводить измерения ВАХ в автоматическом режиме и рассчитывать необходимые зависимости и параметры полевых транзисторов.
Для подготовки к проведению расчетов надо включить управляющий компьютер измерительного стенда и после загрузки OS Windows запустить прикладную программу «Metrix».
Прикладная программа запускается при помощи ярлыка «Metrix» “I-CV Lite System Tools”, находящегося на рабочем столе персонального компьютера. После загрузки программы на экране видеомонитора появляется меню первого уровня системы измерений “I-CV Lite System Tools” (рис.10).
Дальнейшая работа с программой измерений осуществляется после двойного щелчка по третьей слева кнопке (ICS). После этого на экране видеомонитора появляется меню второго уровня системы измерений (рис.11).
Определение параметров полевых транзисторов производят в соответствии с изложенным в разделе 2 алгоритмом и меню в верхней части экрана (рис.11) и в левой части экрана (рис.12).
Открыв меню “Cursors” можно выставить до пяти курсоров, которые будут располагаться на конкретных точках графиков ВАХ, а соответствующие им значения напряжения и тока будут индицироваться в таблице “Cursors X Y” под в правой нижней части экрана видеомонитора. Меню “Fits” служит для аппроксимации того или иного участка ВАХ какой-либо функцией. В следующем разделе будет показано как производится с помощью этих меню определение параметров ПТШ.
Для преобразования данных, например, для построения зависимости 
или 
пользуются опцией ”Transform Editor Function Definitions”, значок 
в меню второго уровня – рис.11.
По проходным ВАХ определяют пороговое напряжения U0 и крутизну S.
1. Пороговое напряжения U0, можно определять в трех вариантах следующим образом.
1) U0=U01 определяют по проходной ВАХ 
, где UD0 – достаточно малое значение напряжения на стоке, при котором зависимость тока стока от напряжения на стоке носит линейна, например, UD0=0.1 В. Линейный участок проходной ВАХ экстраполируют на ось напряжений и получают U01, как напряжение, при котором экстаполированная прямая пересекает ось напряжений, то есть 
. Пример определения порогового напряжения U01 представлен на рис.13.
Определенное по этой ВАХ значение порогового напряжения U01 составило примерно -0.41 В.
2) U0=U02 определяют по зависимости , полученной из проходной ВАХ 
, где UD1 –значение напряжения на стоке, при котором реализуется режим насыщения тока стока, например, UD1=2.0. Зависимость получают при помощи опции “Transform Editor Function Definitions”, значок 
в меню второго уровня – рис.2. Линейный участок зависимости экстраполируют на ось напряжений и получают U02, как напряжение, при котором экстаполированная прямая пересекает ось напряжений, то есть 
. Пример определения порогового напряжения U02 представлен на рис.14.
Определенное по зависимости значение порогового напряжения U02 составило примерно -06.4 В.
3) U0=U03 определяют по проходной ВАХ 
как напряжение на затворе UG, при котором ток стока равен какому-либо определенному разработчиком интегральной схемы фиксированному значению ID=ID0. Для ПТШ с шириной канала WCh=50 мкм ID0 можно принять равным 10 мкА (плотность тока стока на единицу ширины канала jD0=0.2 А/м). Пример определения порогового напряжения U03 представлен на рис.15.
2. Крутизну S определяют по проходной ВАХ 
как 
, где UD1 – значение напряжения на стоке, при котором реализуется режим насыщения тока стока, например, UD1=2.0 (также, как и во втором варианте пункта 1.). Пример определения крутизны S представлен на рис.16. Значение крутизны S≈10.7 мА/В.
Для определения максимальной крутизны проходной ВАХ Sm и соответствующей ее максимальной удельной крутизны gm надо построить зависимость S=f(UG), воспользовавшись “Transform Editor Function Definitions”.
По выходным ВАХ определяют следующие электрические параметры полевого транзистора: ID0; UDS0 и IDS0; IDS; G/
1. Ток стока IDS определяют по выходной ВАХ 
как 
, например, UD1=2 В.
2. Ток стока ID0 определяют по выходной ВАХ при экстраполяции пологого участка выходной ВАХ на ось токов как 
.
3. Проводимость G определяют по выходной ВАХ как 
.
На рис.17 и 18 представлены примеры определения этих параметров
После измерения выходных и проходных ВАХ НО и НЗ ПТШ основные их параметры надо занести в таблицу 1 для НО ПТШ и в таблицу 2 для НЗ ПТШ.
Таблица 1
№ п/п | № ТЯ | ID0, мА UG=0 В UD->0 В | IDS, мА UG=0 В UD=2 В | G, мА/В UG=0 В UD=2.0 В | U0, В UD=2 В | S, мА/В UG=0 В UD=2 В | g, мА/(В∙мм) UG=0 В UD=2 В |
1 | |||||||
2 | |||||||
… | |||||||
n |
Таблица 2
№ п/п | № ТЯ | ID0, мА UG=0.5 В UD->0 В | IDS, мА UG=0.5 В UD=1.5 В | G, мА/В UG=0.5 В UD=1.5 В | U0, В UD=1.5 В | S, мА/В UG=0.5 В UD=1.5 В | g, мА/(В∙мм) UG=0.5 В UD=1.5 В |
1 | |||||||
2 | |||||||
… | |||||||
n |
4. Требования техники безопасности
При работе по настоящей методике существует опасность поражения электрическим током. Для предупреждения поражения электрическим током необходимо соблюдать «Инструкцию № 26-09 по охране труда при .выполнении работ на электроприборах, электроустановках в помещениях КФН».
5. Требования к отчету
Отчет о должен содержать следующее.
1) Краткий конспект описания с основными формулами для определения электрических параметров полевых транзисторов и алгоритмами их определения.
2) Графики измеренных в предыдущей лабораторной работе (№4) ВАХ полевых транзисторов.
3) Результаты определения основных параметров НО и НЗ ПТШ в виде показанных выше таблиц.
Контрольные вопросы
1. Полевые транзисторы на основе наноструктур арсенида галлия с гетеропереходами.
2. Полевые тонкопленочные транзисторы на основе неупорядоченных полупроводниковых структур.
3. Достоинства и недостатки активных элементов на основе неупорядоченных полупроводниковых структур.
4. Алгоритмы определения электрических параметров полевых транзисторов по выходным и проходным ВАХ полевых транзисторов.
5. Работа с прикладным программным обеспечением для обработки данных.
- Обработка данных. Использование под меню «Cursors».
- Обработка данных. Использование подменю «Opts».
- Обработка данных. Использование подменю «Fits».
- Обработка данных. Использование подменю «Transform Editor Function Definitions» в Меню второго уровня автоматизированной системы измерения ВАХ и ВФХ полупроводниковых структур.
- Работа с прикладным программным обеспечением: обработка данных. Использование опции меню «Transform Editor Function Definitions».
Основная литература
1. Нанотехнологии в электронике. Под редакцией . Техносфера, Москва, 2005.
2. Старосельский полупроводниковых приборов микроэлектроники. Высшее образование, 2009.
3. Шалимова полупроводников. 4-е изд., Москва: «Лань», 2010.
Дополнительная литература
1. Неупорядоченные полупроводники. Под редакцией . Высшая школа, Москва, 1995.
2. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов, тома 1 и 2. Москва «Мир», 1984.
