ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ & ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 10 ΤΙΤΛΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Χαρακτηριστικές n-mosfet

2 ΑΣΚΗΣΗ 10: Το tranitor MOSFET Σε αυτή την Άσκηση θα πάρετε μετρήσεις και θα σχεδιάσετε τις χαρακτηριστικές εξόδου I ενός MOSFET τύπου n. I και εισόδου-εξόδου 1.1 To tranitor MOSFET. GS Ένα tranitor MOSFET περιλαμβάνει μια ενεργό περιοχή που ονομάζεται κανάλι. Στα άκρα του καναλιού έχουν αναπτυχθεί δύο επαφές: η πηγή (ource) και η καταβόθρα (rain). Εάν εφαρμοστεί τάση ανάμεσά τους όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, τότε τα ηλεκτρόνια κινούνται από το ource προς το rain, οπότε το ρεύμα ρέει από το rain προς το ource. Διαιρώντας την τάση με το ρεύμα υπολογίζεται η αντίσταση του καναλιού r ή η αγωγιμότητα I I. S κανάλι D Σχήμα 1: Το tranitor αποτελείται από μία ενεργό περιοχή που ονομάζεται κανάλι στα άκρα της οποίας έχουν δημιουργηθεί δύο επαφές οι οποίες ονομάζονται ource (πηγή) και rain (καταβόθρα). Το tranitor είναι ένας αντιστάτης που η τιμή του ελέγχεται από ένα τρίτο ηλεκτρόδιο που λέγεται πύλη (ate). Ανάμεσα στην πύλη και το κανάλι παρεμβάλλεται ένα λεπτό μονωτικό στρώμα (Σχήμα 2). Το ηλεκτρόδιο της πύλης δεν βρίσκεται σε ηλεκτρική επαφή με οποιοδήποτε στοιχείο του MOSFET. Ο έλεγχος που ασκεί στην αγωγιμότητα του καναλιού γίνεται εξ αποστάσεως. Παραδοσιακά στην τεχνολογία πυριτίου, το μονωτικό αυτό είναι ένα θερμικό οξείδιο (SiO2). Ο έλεγχος της αντίστασης του καναλιού γίνεται εφαρμόζοντας μια τάση στην πύλη. Το ενδιαφέρον στοιχείο είναι ότι δεν υπάρχει ρεύμα από την πύλη προς το κανάλι γιατί παρεμβάλλεται ο μονωτής, παρ όλα αυτά η πύλη μπορεί και ελέγχει πόσο ρεύμα ρέει μέσα από το κανάλι και αυτό το κάνει ηλεκτροστατικά δηλαδή δημιουργώντας ένα ηλεκτροστατικό πεδίο μέσα στο κανάλι. Εφαρμόζοντας μια τάση στην πύλη μπορεί κανείς να αλλάξει την τιμή της αντίστασης του καναλιού. Όταν ένα FET tranitor πηγαίνει από την κατάσταση on στην κατάσταση off, η αντίσταση αλλάζει μερικές τάξεις μεγέθους. Τυπικές τιμές είναι περίπου 1kΩ και 100ΜΩ αντίστοιχα. Με άλλα λόγια το tranitor συμπεριφέρεται σαν ένας διακόπτης. Στις μέρες μας η τάση πύλης που αρκεί για αυτή την μετάβαση είναι της τάξης του 1. Ένας σύγχρονος υπολογιστής περιλαμβάνει ένα δισεκατομμύριο τέτοιους διακόπτες. Οι σχεδιαστές μπορούν να σχεδιάσουν αυτή την σειρά των διακοπτών να συνεργάζονται μεταξύ τους και έτσι οι υπολογιστές κατορθώνουν να κάνουν όλα αυτά τα υπέροχα πράγματα που κάνουν. Υπάρχουν κάποιες απλές σχέσεις που αξίζει να θυμάται κανείς για τα MOS tranitor. Οι διαστάσεις ενός tranitor είναι περίπου 10πλάσιες από το μήκος του καναλιού. Εάν το μήκος του καναλιού είναι L τότε το tranitor πιάνει περίπου 10L σε κάθε διάσταση (Σχήμα 2). Αυτό συμβαίνει γιατί οι επαφές Gate, Source & Drain είναι

3 πολύ μεγάλες σε σύγκριση με το κανάλι. Στους σημερινούς υπολογιστές το κάθε tranitor έχει μήκος καναλιού ~30nm. Διαστάσεις tranitor~10l Πάχος οξειδίου~l/50 Σχήμα 2: Η αντίσταση του καναλιού ελέγχεται ηλεκτροστατικά από ένα τρίτο ηλεκτρόδιο που ονομάζεται ate (πύλη). Ανάμεσα στην πύλη και το κανάλι παρεμβάλλεται ένα λεπτό οξείδιο. Το οξείδιο της ύλης πρέπει να είναι αρκούντως λεπτό, ώστε να μπορεί να ελέγχει ηλεκτροστατικά την αντίσταση του καναλιού, αλλά και αρκούντως παχύ, ώστε να μην υπάρχει ρεύμα από ή προς την πύλη. Για να πληρούνται αυτές οι δύο συνθήκες το πάχος του οξειδίου πύλης (στην παραδοσιακή τεχνολογία πυριτίου) είναι περίπου το 1/50 του μήκους του καναλιού. Αφού σήμερα το μήκος του καναλιού είναι της τάξης των 30nm το πάχος του οξειδίου θα πρέπει να είναι λεπτότερο από 1nm. Ένα τόσο λεπτό οξείδιο στο οποίο εφαρμόζεται τάση ~1olt θα παρουσιάζει διαρροές λόγω του φαινομένου σήραγγας. Η συνεχής σμίκρυνση των διαστάσεων έχει φέρει την παραδοσιακή μικροηλεκτρονική στα όριά της. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα το οξείδιο της πύλης δεν είναι πλέον SiO2 αλλά έχει αντικατασταθεί από HfO2. Πριν από 20 χρόνια το μήκος του καναλιού ήταν της τάξης του 1μm οπότε υπήρχαν μερικές χιλιάδες άτομα στη σειρά. Σε αυτές τις διαστάσεις η αγωγή των ευκίνητων φορέων μέσα από το κανάλι γινόταν με σκεδάσεις. Στα σημερινά tranitor η αγωγή γίνεται χωρίς σκεδάσεις, δηλαδή βαλλιστικά. 1.2 Περιγραφή της διάταξης Στη συνέχεια θα περιγράψουμε το n-mosfet τύπου enhancement. Η διάταξη αναπτύσσεται σε υπόστρωμα τύπου p με πυκνότητα αποδεκτών N A ά 3 cm. Με μπλε χρώμα απεικονίζονται τα ource και rain τα οποία είναι τύπου n +, δηλαδή περιοχές με μεγάλη συγκέντρωση προσμείξεων N D ά 3 cm (Σχήμα 3). Σε ένα υλικό τύπου n η στάθμη Fermi βρίσκεται πάνω από το μέσον του ενεργειακού χάσματος και μάλιστα όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση προσμείξεων τόσο πλησιέστερα βρίσκεται στο κάτω όριο της ζώνης αγωγιμότητας. Εάν η συγκέντρωση των προσμείξεων είναι πολύ μεγάλη, όπως συμβαίνει με την περίπτωση των επαφών ource και rain, τότε η στάθμη Fermi μπαίνει μέσα στη ζώνη αγωγιμότητας. Σε αυτή την περίπτωση το εμφυτευμένο Si συμπεριφέρεται σαν μέταλλο και η στάθμη Fermi χωρίζει τις γεμάτες (κάτω) από τις άδειες (επάνω) καταστάσεις. Στην επάνω πλευρά του δισκιδίου Si δημιουργείται με θερμική οξείδωση το οξείδιο της πύλης.

4 Σχήμα 3: n-mosfet δηλαδή MOSFET στο οποίο το κανάλι είναι n-τύπου. Ο τύπος του tranitor είναι εμπλουτισμού (enhancement). Το κανάλι σχηματίζεται όταν στην πύλη εφαρμόζεται θετική τάση μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου GS Thr. Τα Source και Drain σχηματίζουν με το υπόστρωμα επαφές τύπου p-n. Με λευκό χρώμα έχουν σημειωθεί οι περιοχές απογύμνωσης. 1.3 Το ενεργειακό διάγραμμα Όταν δεν εφαρμόζεται εξωτερική τάση στα ηλεκτρόδια, η στάθμη Fermi της διάταξης είναι οριζόντια σε όλη την έκτασή της δηλαδή από το ource διαμέσου του καναλιού και στο rain (Σχήμα 4, αριστερά). Οι καταστάσεις κάτω από τη στάθμη Fermi του ource και του rain είναι γεμάτες με ηλεκτρόνια. Εφόσον το υπόστρωμα είναι p- τύπου η κοινή στάθμη Fermi θα βρίσκεται πλησιέστερα στη ζώνη σθένους του καναλιού. Η διάταξη αυτή δεν άγει γιατί δεν υπάρχουν καταστάσεις γύρω από την στάθμη Fermi. Σχήμα 4: Αριστερά, το ενεργειακό διάγραμμα της διάταξης χωρίς εξωτερικές τάσεις. Σε κατάσταση ισορροπίας η στάθμη Fermi είναι οριζόντια σε όλη την έκταση της διάταξης. Το υλικό μεταξύ S και D είναι Si p-τύπου για αυτό η κοινή στάθμη Fermi βρίσκεται πλησιέστερα στη ζώνη σθένους. Οι επαφές ource & rain είναι πυρίτιο τόσο υψηλής νόθευσης ώστε συμπεριφέρεται σαν μέταλλο. Δεξιά, το ενεργειακό διάγραμμα της διάταξης όταν η επαφή S είναι γειωμένη και η επαφή D σε θετικό δυναμικό. Ας δούμε τι γίνεται εάν εφαρμόσουμε τάση μεταξύ των ource και rain (Σχήμα 4, δεξιά). Για ευκολία θα υποθέσουμε ότι η αριστερή επαφή (ource) είναι συνδεμένη στη γείωση ενώ η δεξιά επαφή συνδέεται με τον θετικό πόλο του τροφοδοτικού. Η θετική τάση στη δεξιά επαφή σπρώχνει όλες τις ενεργειακές στάθμες του rain προς τα κάτω (Σχήμα 5, δεξιά). Έτσι η εικόνα τώρα γίνεται ως εξής: η στάθμη Fermi στην αριστερή επαφή βρίσκεται πιο ψηλά από την στάθμη Fermi στην δεξιά επαφή. Προφανώς η απόσταση των μ και μ2 θα σχετίζεται άμεσα με την τάση που εφαρμόζεται ανάμεσα στις δύο επαφές και είναι q. Ανάμεσα στα μ και μ2 δεν υπάρχουν ενεργειακές καταστάσεις και η διάταξη δεν άγει.

5 Σχήμα 5: Όταν εφαρμόζεται θετική τάση στην πύλη οι καταστάσεις του καναλιού κατεβαίνουν προς τα κάτω έτσι ώστε κάποιες καταστάσεις από τη ζώνη αγωγιμότητας του καναλιού να βρίσκονται μέσα στο παράθυρο των σταθμών Fermi των επαφών S & D (αριστερά). Η θετική τάση στην πύλη έλκει τους φορείς μειονότητας του υποστρώματος (ηλεκτρόνια) οι οποίοι συγκεντρώνονται κάτω από το οξείδιο της πύλης δημιουργώντας ένα μικρό δίαυλο n-τύπου μεταξύ S & D. Ο δίαυλος αυτός είναι το κανάλι (δεξιά). Οι δύο περιγραφές είναι ισοδύναμες. Όταν εφαρμόσουμε θετική τάση στην πύλη (Σχήμα 5, αριστερά) τότε οι ενεργειακές καταστάσεις του καναλιού κατεβαίνουν προς τα κάτω και έτσι εμφανίζονται κάποιες ενεργειακές καταστάσεις μεταξύ των μ και μ2. Τώρα, η αριστερή επαφή θέλει να γεμίζει τις καταστάσεις που βρίσκονται κάτω από το μ, συμπεριλαμβανόμενων των καταστάσεων του καναλιού. Από την άλλη η δεξιά επαφή θέλει να αδειάσει όλες τις καταστάσεις που βρίσκονται πάνω από το μ2 συμπεριλαμβανόμενων και των καταστάσεων του καναλιού. Έτσι ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στη στάθμη Fermi της αριστερής επαφής ωθείται από την αριστερή επαφή σε κάποια κατάσταση του καναλιού και στη συνέχεια τραβιέται από την δεξιά επαφή. Στην διάταξη θα κυκλοφορεί ρεύμα όποτε υπάρχει μια τουλάχιστον ενεργειακή στάθμη μέσα στο παράθυρο που ορίζουν τα δυο ηλεκτροχημικά δυναμικά. Η τάση κατωφλίου σε ένα tranitor n-mosfet είναι η ελάχιστη θετική τάση που πρέπει να εφαρμοστεί στην πύλη έτσι ώστε το κανάλι να άγει. Όταν εφαρμόζεται τάση ανάμεσα στις δύο επαφές ource & rain το σύστημα βρίσκεται εκτός ισορροπίας, κατά συνέπεια δεν υπάρχει πλέον κοινή στάθμη Fermi. Η αριστερή επαφή γεμίζει συνεχώς τις ενεργειακές στάθμες του καναλιού ενώ η δεξιά τις αδειάζει και έτσι συντηρείται το ρεύμα. Μία ισοδύναμη περιγραφή η οποία βασίζεται όχι στην ενεργειακή αλλά στην χωρική εικόνα είναι η ακόλουθη (Σχήμα 5, δεξιά): Όταν εφαρμόζεται μία μικρή τάση τότε το rain βρίσκεται σε θετικό δυναμικό σε σχέση με το υπόστρωμα οπότε η επαφή rain-υπόστρωμα είναι πολωμένη ανάστροφα κατά συνέπεια δεν περνάει ρεύμα από το D στο S. Όταν εφαρμοστεί μία αρκούντως θετική τάση στην πύλη τότε στην περιοχή που βρίσκεται κάτω από το οξείδιο της πύλης δημιουργείται ένα ηλεκτροστατικό πεδίο το οποίο έλκει τα λίγα ηλεκτρόνια του υποστρώματος (φορείς μειονότητας) κοντά στη διεπιφάνεια οξειδίου-υποστρώματος δημιουργώντας έτσι ένα δίαυλο n- τύπου μεταξύ S & D. Ο δίαυλος αυτός είναι το κανάλι.

6 1.4 Ο ρόλος των χωρητικοτήτων των επαφών. Αν το ηλεκτρόδιο S είναι συνδεδεμένο με την γείωση τότε εφαρμόζοντας μια διαφορά δυναμικού 1olt ανάμεσα στο S και το D, η στάθμη Fermi του S θα κρατηθεί ακίνητη στο δυναμικό της γείωσης 0, ενώ η στάθμη Fermi του D θα κατέβει κατά 1e. Τι γίνεται με το δυναμικό του καναλιού; Προφανώς το δυναμικό στο κανάλι θα είναι διαφορετικό για το άκρο που βρίσκεται κοντά στο S απ ότι για το άκρο κοντά στο D, εδώ όμως θα θεωρήσουμε ότι το κανάλι είναι πολύ μικρό έτσι ώστε το δυναμικό του έχει παντού την ίδια τιμή. Μπορούμε να θεωρήσουμε το κανάλι σαν ένα μικρό αγωγό που συνδέεται μέσω δύο πυκνωτών και με τις δύο επαφές ource & rain (Σχήμα 6). Στην περίπτωση αυτή το δυναμικό του καναλιού θα είναι ένας μέσος όρος των δυναμικών και που θα επηρεάζεται από τις χωρητικότητες και. Ο υπολογισμός προχωράει ως εξής: Οι πυκνωτές και είναι συνδεμένοι στη σειρά οπότε έχουν ίσα φορτία. Στη συνέχεια θα χρησιμοποιήσουμε την σχέση που συνδέει το φορτίο με την χωρητικότητα ενός πυκνωτή Q. Q Q S S Σχήμα 6: Η επαφή S είναι γειωμένη και η επαφή D έχει δυναμικό 1olt. Το κανάλι θεωρείται ότι είναι αρκούντως μικρό ώστε να έχει σε όλα τα σημεία του το ίδιο δυναμικό (αριστερά). και είναι οι χωρητικότητες καναλιού-επαφής S και καναλιού-επαφής D αντίστοιχα. Η διαφορά δυναμικού στα άκρα των πυκνωτών και είναι και αντίστοιχα. Οπότε η ισότητα των φορτίων οδηγεί στη σχέση. Από την εξίσωση αυτή κανείς μπορεί να την λύσει ως προς το δυναμικό του καναλιού. Αφού η επαφή S είναι γειωμένη 0 οπότε το δυναμικό στο κανάλι γίνεται, εάν διαιρέσουμε αριθμητή και παρονομαστή με το 1 1 προκύπτει ότι

7 Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τι βρήκαμε χρησιμοποιώντας αριθμούς. Ας υποθέσουμε ότι. Τότε το δυναμικό του καναλιού θα είναι 3 και 1olt 1 0, 25. Αυτό σημαίνει ότι η εφαρμογή μιας τάσης 1 olt 4 μεταξύ των S & D υποχρεώνει τις καταστάσεις του καναλιού θα γλιστρήσουν προς τα κάτω κατά. Εάν αυξήσουμε την τάση έτσι ώστε να γίνει 250me 2olt 500 me, τότε οι καταστάσεις του καναλιού θα γλιστρήσουν προς τα κάτω κατά κ.ο.κ. Αυτό όμως είναι κάτι που δεν το θέλουμε γιατί τότε η χαρακτηριστική I δεν θα φτάνει σε κορεσμό αλλά θα ακολουθεί την διακεκομμένη γραμμή του Σχήματος 7 (δεξιά). S κανάλι D urrent L I olt 1 Σχήμα 7: Η χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης σε ένα tranitor θέλουμε να φτάνει σε κορεσμό σε μεγάλες τάσεις (συμπαγής γραμμή). Αυτό επιτυγχάνεται με τον έλεγχο του δυναμικού του καναλιού από το ηλεκτρόδιο της πύλης. Η δυσκολία με τα νανο-tranitor έγκειται στη δυσκολία να ελεγχθεί το δυναμικό του καναλιού οπότε η χαρακτηρισρτική δεν παρουσιάζει κορεσμό (διακεκομένη γραμμή) Από την πλευρά της τεχνολογίας το ερώτημα είναι πως θα πετύχουμε το δυναμικό του καναλιού να μην επηρεάζεται από το δυναμικό των επαφών S και D. Η απάντηση είναι η εξής: το δυναμικό του καναλιού θα ελέγχεται απόλυτα από την τάση του ηλεκτροδίου της πύλης. Εάν το ηλεκτρόδιο της πύλης είναι πάρα πολύ κοντά στο κανάλι, δηλαδή το πάχος του οξειδίου της πύλης είναι πολύ μικρό, τότε η πύλη θα επιβάλλει το δυναμικό της στο κανάλι. Στην περίπτωση αυτή τα δυναμικά στα ηλεκτρόδια S και D δεν θα επιδρούν στο δυναμικό του καναλιού, δηλαδή οι καταστάσεις του καναλιού δεν θα γλιστράν προς τα κάτω όποια τάση και εάν εφαρμόσουμε στο ηλεκτρόδιο D. Αυτή ακριβώς είναι η συμπεριφορά της πύλης που θέλουμε να έχει σε ένα καλό τρανζίστορ. Στην περίπτωση αυτή η ζώνη αγωγιμότητας του καναλιού παραμένει ακίνητη στο ενεργειακό διάγραμμα ανεξάρτητα από τη διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις επαφές S και D. Σε ένα καλό tranitor η πύλη πρέπει να έχει μεγάλη χωρητικότητα. Στη συνέχεια θα επιδιώξουμε να δούμε την ποσοτική έκφραση της παραπάνω συζήτησης. Θα ακολουθήσουμε την ίδια λογική με την περίπτωση που εξετάζαμε την επίδραση του δυναμικού των επαφών S και D στο δυναμικό του καναλιού. Δεχόμαστε ότι το κανάλι είναι αρκετά μικρό έτσι ώστε το δυναμικό του να έχει παντού την ίδια τιμή. Μπορούμε να θεωρήσουμε το κανάλι σαν ένα μικρό αγωγό που συνδέεται

8 μέσω των πυκνωτών, και με τις επαφές S, D και G αντίστοιχα. Στην περίπτωση αυτή το δυναμικό του καναλιού θα είναι ένας μέσος όρος των δυναμικών, και που θα επηρεάζεται από τις χωρητικότητες, και (Σχήμα 8). Σχήμα 8: Θεωρούμε πως το κανάλι είναι αρκούντως μικρό και έχει μια τιμή δυναμικής ενέργειας. Οι επαφές καναλιού-ηλεκτροδίων S, D και G έχουν χωρητικότητες, και αντίστοιχα. Στην περίπτωση αυτή και σε αναλογία με την περίπτωση των δύο επαφών, το δυναμικό του καναλιού προκύπτει από την εξίσωση, αλλά 0, οπότε, όπου T T και η δυναμική ενέργεια του καναλιού θα είναι: U q q Εάν η χωρητικότητα καναλιού-πύλης T είναι πολύ μεγάλη τότε η δυναμική ενέργεια του καναλιού θα καθορίζεται σχεδόν αποκλειστικά από το δυναμικό της πύλης και αυτός είναι ακριβώς ο στόχος στο επίπεδο της τεχνολογίας. Ένα τρόπος να πετύχουμε μεγάλη χωρητικότητα στην πύλη είναι να κάνουμε το οξείδιο της πύλης πάρα πολύ λεπτό. 1.5 Η χαρακτηριστική ενός καλού tranitor Αυτό που θα θέλαμε στην περίπτωση ενός καλού τρανζίστορ είναι να εμφανίζεται κορεσμός στην χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης. Στα πλαίσια της παρουσίασης που προηγήθηκε αυτό σημαίνει ότι: η στάθμη Fermi της επαφής S θα παραμένει ακίνητη ολόκληρη η εφαρμοζόμενη τάση να προκαλεί την μετατόπιση του ηλεκτροχημικού δυναμικού της επαφής D μόνο, και οι καταστάσεις του καναλιού δεν θα ολισθαίνουν προς τα κάτω καθώς αυξάνεται η τάση μεταξύ των επαφών S και D. Εάν πληρούνται αυτές οι προϋποθέσεις, η χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης θα εμφανίζει κορεσμό για μεγάλες τάσεις με βάση τον εξής συλλογισμό:

9 Σχήμα 9: Η αριστερή επαφή είναι συνδεμένη στη γείωση οπότε σε κατάσταση ισορροπίας οι επαφές S και D έχουν κοινή στάθμη Fermi (αριστερά). Η χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης φτάνει σε κορεσμό όταν η στάθμη Fermi της δεξιάς επαφής ευθυγραμμιστεί με το κάτω όριο της ζώνης αγωγιμότητας του καναλιού. Στην κατάσταση ισορροπίας δηλαδή όταν η τάση μεταξύ των επαφών S και D είναι μηδέν η στάθμη Fermi είναι οριζόντια, δηλαδή το ource, το κανάλι και το rain έχουν την ίδια στάθμη Fermi (Σχήμα 9, αριστερά). Εφόσον η επαφή S είναι γειωμένη η στάθμη Fermi θα παραμείνει ακίνητη. Καθώς η τάση μεταξύ των επαφών αυξάνεται η στάθμη Fermi του rain κατεβαίνει. Έτσι, αυξάνεται ο αριθμός των καταστάσεων που περιέχονται μέσα στο παράθυρο των μ1 και μ2. Λόγω της μεγάλης τιμής της χωρητικότητας η αύξηση του δυναμικού στην δεξιά επαφή δεν επηρεάζει το δυναμικό του καναλιού, δηλαδή οι καταστάσεις του καναλιού παραμένουν ακίνητες. Για κάποια τιμή της τάσης η στάθμη Fermi της επαφής D φτάνει στο όριο της ζώνης αγωγιμότητας του καναλιού από κει και πέρα όταν αυξάνεται η τάση η στάθμη Fermi συνεχίζει να κατεβαίνει χωρίς όμως να προστίθενται νέες καταστάσεις στο παράθυρο των μ1 και μ2 (Σχήμα 9, δεξιά). Δηλαδή από κάποια τιμή της τάσης και μετά το πλήθος των καταστάσεων που συμμετέχουν στο μηχανισμό της αγωγιμότητας παραμένει σταθερός οπότε το ρεύμα σταματάει να αυξάνεται και εμφανίζεται κορεσμός στο ρεύμα (Σχήμα 7, δεξιά συμπαγής γραμμή). I 2. Μετρήσεις Θα γίνουν μετρήσεις στο παρακάτω κύκλωμα. Μετρήστε την τιμή της αντίστασης R D. Ρυθμίστε την τάση και καταγράψτε τις τιμές του ρεύματος εξόδου όταν μεταβάλλεται η τάση. Επαναλάβετε τις μετρήσεις για τιμές της τάσης GS 1, 2olt I

10 GS 1, 3olt, GS 1, 4olt, GS 1, 5olt, GS 1, 6olt GS 1, 7olt πύλης:. Στη συνέχεια ρυθμίστε την τάση ρεύματος εξόδου I αυξάνοντας την τάση 50molt GS και. Καταγράψτε την τιμή του της πύλης από 0,8olt έως 2olt. RD GS DD 3. Τεχνική Έκθεση: Το Θεωρητικό μέρος θα πρέπει να περιλαμβάνει τα απαραίτητα σχήματα και διαγράμματα και να εξηγούνται επαρκώς τα εξής: Δομή ενός MOSFET enhancement. Επίπεδο εμφύτευσης ource & rain, πάχος οξειδίου, διαστάσεις. Ενεργειακό διάγραμμα. Εξηγήστε γιατί το κανάλι δεν άγει όταν η τάση στην πύλη είναι 0olt. Εξηγήστε, με δύο τρόπους, γιατί το κανάλι άγει όταν η τάση της πύλης γίνει ίση ή μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου. Σχεδιάστε ένα MOSFET epletion. Τι διαφορές παρουσιάζει από ένα MOSFET enhancement; Σχεδιάστε το ενεργειακό διάγραμμα για ένα MOSFET epletion. Τι νόημα έχει η τάση κατωφλίου σε ένα MOSFET epletion; Αξιοποιήστε τα βίντεο που υπάρχουν στα Πολυμέσα! Εργαστηριακό μέρος. α) Σχεδιάστε το κύκλωμα της Άσκησης και παρουσιάστε τις μετρήσεις που έγιναν. Σχεδιάστε σε ένα διάγραμμα τις χαρακτηριστικές εξόδου I για τις τρεις τιμές της τάσης GS. Υπολογίστε γραφικά (γραμμή τάσης και κλίση) την αγωγιμότητα και την αντίσταση r του καναλιού στο γραμμικό μέρος της κάθε χαρακτηριστικής. β) Η διαγωγιμότητα (tranconuctance) σε ένα MOSFET ορίζεται από το πηλίκο m I GS. Στο διάγραμμα των χαρακτηριστικών εξόδου που έχετε σχεδιάσει,

11 επιλέξτε μία τιμή της τάσης προσέγγιση τις τιμές της διαγωγιμότητας (τρεις τιμές). στην περιοχή του κορεσμού. Υπολογίστε κατά γ1) Σχεδιάστε τις χαρακτηριστικές εισόδου-εξόδου GS που έγιναν μετρήσεις. I για τις δύο τιμές γ2) Στη συνέχεια σχεδιάστε την γραφική παράσταση της τετραγωνικής ρίζας του ρεύματος συναρτήσει της τάσης της πύλης, δηλαδή I για τις δύο τιμές I. Η γραφική παράσταση είναι ευθεία από κάποια τιμή της τάσης και μετά. Από την γραφική παράσταση I υπολογίστε την τάση κατωφλίου. GS Πως θα το κάνετε αυτό: Στο ίδιο γράφημα προσθέστε τα σημεία που αντιστοιχούν στην γραμμική περιοχή της I (5-6 σημεία είναι αρκετά). Προσθέστε την GS γραμμή τάσης linear και επιλέξτε iplay equation on art. Επιπλέον επιλέξτε forecat backwar 0,2 perio. Υπολογίστε την τάση κατωφλίου με δύο τρόπους: από την εξίσωση της γραμμής τάσης και από το σημείο τομής της γραμμής τάσης με τον άξονα. GS γ3) Σχεδιάστε την χαρακτηριστική εισόδου εξόδου I GS σε ένα νέο γράφημα στο οποίο ο κατακόρυφος άξονας θα είναι λογαριθμικός. Σημειώστε την τάση κατωφλίου. Σε αυτή τη γραφική παράσταση μπορείτε να δείτε ότι για τάσεις! Παρατηρείστε την γραφική παράσταση για υπάρχει ρεύμα GS Threhol I τιμές μικρότερες από την τάση κατωφλίου GS Threhol να μειωθεί η τάση GS έτσι ώστε το ρεύμα I να μειωθεί κατά μία τάξη μεγέθους (δεκάδα); GS. Κατά πόσα m πρέπει ε) Εξηγήστε την μορφή των χαρακτηριστικών εξόδου. Γιατί παρατηρείται ο κορεσμός στο ρεύμα ; Το tranitor δεν άγει όταν η τάση στην πύλη είναι 0olt. Τι I συμπέρασμα βγάζετε από αυτό σε ότι αφορά τον τύπο του tranitor; εξηγήστε τις διεργασίες που γίνονται μέσα στο tranitor όταν η τάση πύλης είναι μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου; στ) Εξηγήστε τις διαφορές των χαρακτηριστικών εισόδου-εξόδου I για την μικρή και την μεγάλη τιμή της τάσης. GS