Labb-PM MCC086 Mikroelektronik 2016

Transkript

1 Labb-PM MCC086 Mikroelektronik 2016 Syfte med labben: Att få praktisk och experimentell erfarenhet av mätningar på pn-dioden och MOSFET, samt uppleva komponenternas egenskaper. Mäta på dioder och transistorer och från mätningarna bestämma värdena på viktiga modellparametrar för bästa passning mellan modell och mätdata. Samla in mätdata till kommande projekt. Mål: Att efter labben kunna Genomföra mätningar på pn-diod och MOSFET, samla in och plotta mätdata. För pn-diod ur mätdata identifiera olika ström-spänningsområden och viktiga modellparametrar. För MOSFET ur mätdata identifiera resistans och mättnadsområde, samt kvalitativt beskriva vad som skiljer dem åt. Använda styckevis linjära modeller för både diod och MOSFET och anpassa till mätdata. Förberedelseuppgifter Läs igenom hela labb-pm inklusive uppgifterna som ska genomföras. Svara på frågorna i inlämningsuppgift 1och lämna in i PingPong. Anmäl er till ett labb-tillfälle i Pingpong, genom att anmäla er till en projektgrupp: o Grupp 1-10 fredag lv 2. o Grupp måndag lv 3. o Grupp tisdag lv 3. Skriv ut labb-pm och ta med till labben. Matlab finns på datorn på labb-platsen men inte Excel. Om man vill kan man ta med egen laptop för datainsamling. Två MATLAB skript för kontinuerlig plottning av mätdata finns tillgängligt på PingPong. Övrig information Labben hålls i ET-labbet på våning 7 i Fysiks forskarhus. Labben genomförs i era projektgrupper (dvs. två och två) Ni har bara ett laborationstillfälle att samla data till projekten. Prioritera därför utmärkta uppgifterna när ni gör labben! Grupp nr: Namn 1: Namn 2: Godkänd den: Av:

2 1 Bakgrund och teori I laborationen kommer ni att få lära känna pn-dioden och den typ av fälteffekttransistor som vi huvudsakligen behandlar i kursen och som kallas MOSFET, lite närmare. För att friska upp minnet från tidigare kurser, och lyfta fram för labben väsentliga delar av pn-dioden och MOSFET, följer här lite kortfattad teori om de båda komponenterna. Under kommande läsveckor kommer vi gå igenom dessa två komponenter och dess fysik i detalj, men då med fördelen att ni har egen erfarenhet av komponenterna från mätningar. 1.1 pn-dioden Vi känner i grunden till dioden i dess enklaste form, som likriktare. Förenklat leder dioden enbart ström i framriktningen och ingen ström i backriktningen, se Figur 1a. 1/RS Vbi (a) RS Vbi (b) Figur 1 (a) Dioden som ideal likriktare. (b) Styckevis linjär diodmodell (röd streckad) med inbyggd kontaktpotential, Vbi, och serieresistans, Rs. Denna modell fungerar ofta bra i sammanhang med stora spänningsskillnader. I en mer noggrann modell tar man hänsyn till diodens fysikaliska egenskaper så som kontaktpotential, Vbi och serieresistans, RS. Diodens kontaktpotential får som konsekvens att dioden inte börjar leda direkt vid 0 V, utan först när den pålagda spänningen V > V bi. Serieresistansen beror på att materialet inte är perfekt ledande, utan halvledare, och konsekvensen blir förenklat att dioden beter sig som en resistor i framriktningen, när den väl har börjat leda. Vi benämner den här modellen som styckevis linjär modell, eftersom vi har förenklat diodkurvan till att vara linjär. I D = 0, V < V bi { I D = V V bi (1), V > V R bi S Som vi ser i Figur 1b fungerar den styckevis linjära modellen väl för låga och höga spänningar, men inte för värden nära kontaktpotentialen. En mer exakt beskrivning av dioden ges av den korrigerade/utökade ideala diodekvationen. I D = I 0 (e (V A R S I D ) nvth 1)

3 I denna modell beskrivs diodens exponentiella ström-spänningsförhållande, och den passar mätdatan bra även för spänningsnivåer runt kontaktpotentialen. Utöver serieresistansen, har man infört modellparametern I0, den s.k. diodmättnadsströmmen i backriktningen och idealitetsfaktorn n. Idealitetsfaktorn används för att passa modellen mot lutningen på mätdatan vid låga spänningsnivåer, och har ett värde mellan 1 och 2 vilket motsvarar olika strömbegränsningsmekanismer. Idealt är n = 1. Diodmättnadsströmmen återfås genom att extrapolera uppmätt ström (i det exponentiella området) till spänningen V = 0V Modellanpassning efter mätningar på pn-dioden När vi mäter på dioden vill vi ofta använda mätdatan till att bestämma modellparametrar så som inbyggd kontaktpotential och serieresistans. Dessa parametrar kan sen t.ex. användas när man vill designa en krets med dioden, för att jämföra olika dioders prestanda, eller för att vidare undersöka diodens egenskaper. För att bestämma diodens serieresistans och kontaktpotential använder vi oss av den styckevis linjära modellen. Vi plottar mätdatan (I/V) och passar en rät linje mellan några mätpunkter högt upp på kurvan, där den har blivit linjär, och drar sedan linjen ner till där den skär x-axeln, se Figur 1b. Skärningen med x-axeln motsvarar vårt värde på kontaktpotentialen, och lutningen på kurvan 1/RS enligt (1). För att bestämma I0 och n för att passa den utökade ideala diodekvationen till mätdata, plottar man logaritmen av strömmen på y-axeln. För små spänningar har vi att logi D logi 0 + V nv th vilket beskriver en rät linje. Passar vi den räta linjen med kurvan, och använder Vth 0,025 V kan vi utifrån lutningen på linjen i semilog-plotten bestämma n. Utifrån den räta linjens skärning med y-axeln får vi I Metall-Oxid-Semiconductor(Halvledare)-Fälteffekt-Transistor (MOSFET) I labbens andra del kommer vi bekanta oss med en fälteffekttransistor av typen MOSFET, eller MOS-transistor. M, O och S kommer av utseendet på gate-kontakten (styret) som är av metall, med ett lager oxid som fungerar som isolator mellan metallen och halvledaren. MOS-transistorn är sedan länge den dominerande teknologin i t.ex. processorer och minnen.

4 IDS [ma] (a) Figur 2 (a) MOSFET kretssymbol. (b) MOSFET-tvärsnitt (N-kanal). (b) För en N-kanal MOS-transistor är drain och source n-dopade (överskott på elektroner), medan substratet är p-dopat (överskott på hål), se Figur 2b. Lägger vi på en spänning enbart över drain och source har vi i praktiken två anti-seriellt kopplade pn-dioder och transistorn leder ingen ström. Genom att lägga på en spänning på styret inverteras ytan under oxiden så att det bildas en kanal av elektroner mellan drain och source, och transistorn kan leda ström. Spänningen på styret bestämmer mängden fria laddningsbärare i kanalen, och kan därmed kontrollera strömmen som går mellan drain och source. Lägger vi på bara en liten spänning över drain och source beter sig transistorn som en resistans, och strömmen mellan drain och source är linjär mot drainsource spänningen. Detta kallar vi resistansområdet. Resistansen beror på spänningen på styret, och transistorn beter sig som en styrbar resistans. För höga spänningar mellan drain och source begränsas antalet fria laddningsbärare i drain-änden av den inverterade kanalen, och strömmen mättas. Detta kallar vi mättnadsområdet. Genom att ändra spänningen på styret kan vi reglera det totala antalet laddningsbärare i kanalen och därmed mättnadsströmmen, och transistorn beter sig som en ställbar strömkälla V GS = 5V 200 VDS<VGS-VT VDS>VGS I D 5 4 V GS = 4V V GS = 3V V GS = 2V V DS [V] VGS [V] (a) (b) Figur 3 Ström-spänningskarakteristik för MOSFET: (a) Utgångskarakteristik. (b) Överföringskarakteristik. För att beskriva MOS-transistorns ström-spännings-karakteristik använder vi oss av Shockleys transistormodell. { I DS = K n [2(V GS V T ) V DS ]V DS, V GST = V GS V T V DS & V GST > 0 I DSAT = K n (V GS V T ) 2, V GS V T V DS (2) Gränsen mellan resistans och mättnadsområde går alltså vid VDS=VDSAT=VGST. Transistorkonstanten K n beror på material- och tillverkningsrelaterade parametrar så som oxidlagret och transistorns längd och bredd. Gate-spänningen måste gå över ett tröskelvärde, den så kallade tröskelspänningen VT innan ytan inverteras och bildar en ledande kanal som möjliggör en driftström.

5 Emellertid är transistorn inte helt avstängd när V GS < V T, utan en läckström flyter mellan drain och source om en drain spänning är pålagd. Denna subtröskelström är, som vi ska se under kursens gång, en diffusionsström och har ett exponentiellt beroende liknande diodens enligt: I sub = I off e V GS nv th (1 e V DS V th ) (3) Idealt är subtröskelströmmen oberoende av drainspänningen för VDS > 3 Vth. Passningsparametrar blir då naturligt IOFF vilket är den extrapolerade strömmen till VGS = 0 V och idealitetsfaktorn n > 1, som ger lutningen på subtröskelkurvan Modellanpassning efter mätningar på MOS-transistorn Utgångskarakteristiken Resistans och mättnadsområdet kan också tecknas styckvis linjärt i utgångskarakteristiken, dvs. som funktion av drainspänningen: I DS = G ON V DS, { I DSAT = K n (V GS V T ) 2 = konst., V DS V DSAT 2 V DS V DSAT 2 (4) Där G ON = 1/R ON är transistorns tillkonduktans och kan ur mätdatan fås av kurvans lutning nära VDS= Överföringskarakteristiken Även för överföringskarakteristiken kan vi utnyttja linjär passning. Som vi kan se i (2) beror strömmen IDS linjärt på VGS i resistansområdet (för VGS > VT). Vi kan då bestämma k och VT från styckevis linjär passning mot mätdatan. Ur (2) får vi att K n = lutning 2V DS och V T = V GS (I DS = 0) V DS 2. I mättnadsområdet beror IDS istället på VGS kvadratiskt. Då plottar vi istället datan I DS = K n (V GS V T ) så att vi kan på samma sätt som ovan utnyttja styckevis linjär passning med mätdatan för att bestämma Kn och VT.

6 2 Laborationsuppgifter Innan ni börjar koppla, notera vilka anslutningar som är ihopkopplade på kopplingsplattans undersida (tänkta att användas som jordpotential)! 2.1 Del 1: pn-diod Vid labbplatsen finns den diod ni ska mäta på, katodsidan är märkt med ett svart streck. Koppla upp dioden enligt er mätuppställning. Mät upp I/V-karakteristiken i framriktningen för ID 120mA (Behövs i diod-projektet). Plotta ID(VD) med givet MATLAB skript (diode_plot.m)! Kolla hur väl mätningarna överlappar den bifogade datan för låga VD. Utforska en styckevis linjär modell med hjälp av skriptet! o Vad är den inbyggda kontaktpotentialen? o Vilken serieresistans har dioden? I vilket område passar den styckevis linjära modellen bra respektive dåligt med den uppmätta datan? Plotta ID(VD) och ideala diodekvationen med logaritmisk skala på y-axeln! o Vad är diodens idealitetsfaktor? För vilka spänningar påverkar Rs? 2.2 Del 2: MOSFET I den här delen av labben ska ni karakterisera en MOS-transistor, den är förpackad i en kapsel med anslutningar enligt Figur 2a. Ett fullständigt schema över anslutningarna på kapseln ligger på labbplatsen/fås av labbhandledarna. Några begränsningar som ni måste hålla er till är transistorns arbetsområde inom vilket den inte tar permanent skada, vilket är: VDS Drain Sourcespänning = 0-20 V VGS Gate Sourcespänning = 0-20 V IDS Maximal kontinuerlig Drain-Sourceström = 10 ma Förberedande mätuppgifter: Mät upp och plotta (MOSFET_plot.m) utgångskarakteristiken för någon vald gatespänning. Ett bra intervall att börja mäta inom är VGS = 2-3 V och VDS = 0-6 V. Testa först gärna lite olika mätpunkter och skapa en intuitiv förståelse för begreppen resistans- och mättnadsområde. Identifiera resistansområde och mättnadsområde i er plot. Beskriv med egna ord (i ett par meningar) hur strömmen beter sig i mättnadsområdet, beroende på om ni ändrar gate- eller drainspänningen: Hur kan man enkelt biasera (koppla upp) transistorn så att den alltid är i mättnadsområdet?

7 2.2.1 Samla in mätdata till MOSFET-projektet För att ni ska få med bra mätdata till ert kommande MOS-projekt är de följande delarna av labben mer detaljstyrd. Detta för att ni ska kunna genomföra mätningen utan att på förhand vara bekanta med detaljerna i parameterextraktionen som ska göras som en del av projektet i kursen. Modifiera er mätuppställning så att ni mäter drain-spänningen VDS med Escort-multimetern, och drain-strömmen IDS med Agilent-multimetern. Läs sedan av och för in både VGS, VDS och IDS i MATLAB-skriptet. Utgångskarakteristik: Fixera VGS vid tre olika nivåer och svep VDS, vilket resulterar i totalt 3 kurvor. Använd steget ΔVDS=0,2V i resistansområdet. När ni når mättnadsområdet kan ni öka till något större intervall ΔVDS. o För VGS = 1,5 V, svep VDS 0-6 V. o För VGS = 3 V, svep VDS 0-6 V. o För VGS = 4,5 V, svep VDS 0-6 V. Överföringskarakteristik: Fixera VDS vid tre olika nivåer och svep VGS, vilket också resulterar i totalt 3 kurvor. o För VDS = 0,05 V, svep VGS 0-3,6 V med steget 0,2 V. o För VDS = 0,1 V, svep VGS 0-3,6 V med steget 0,2 V. o För VDS = 10 V, svep VGS 0-3,6 V med steget 0,2 V. Redovisa de plottade kurvorna för någon av labbhandledarna. OBS, spara datan till det framtida MOS-projektet! Subtröskelområdet (Behövs till MOSFET-projektet) För att mäta upp transistorns ström-spännings karakteristik i subtröskelområdet krävs noggrannare instrument än vad som normalt finns tillgängligt i ET-labbet. Således har en separat uppställning arrangerats där drain strömmen kan mätas med en Keithley 2400 Source-meter. Denna möjliggör samtidig biasering av drain och mätning av drainströmmen för strömnivåer ner under 100 pa. En introduktion till att använda instrumentet finns tillgängligt nedan tillsammans med instruktioner av vad som skall uppmätas av Er. Inställningarna bör finnas kvar sedan tidigare grupp, kontrollera dock att allt verkar vara enligt nedanstående specifikation. På Keithley, välj SOURCE V vilket då visas i nedre delen av display. Tryck OUTPUT ON och biasera drain för VDS = 10 V. Om nödvändigt ställ in RANGE för att nå denna spänning. På Keithley, växla till strömmätning, MEAS I, visas i övre delen av display. Under RANGE se till att AUTO är markerat (visas i display). Använd separat spänningsaggregat för gate spänningen. Strömmen är mätbar för (åtminstone) VGS > 0,4V. En viss variation mellan transistorerna och olika mättillfällen kan förekomma. o Notera gate spänning och ström med ΔVGS=0,1V. Mät upp till maximal ström för Keithley 2400 vilket är 105µA, detta bör vara för en gatespänning VGS ~ 1,5 V - 1,7 V. Mätdatan för subtröskelområdet bör överlappa med de lägsta mätpunkterna från stark inversion. Plotta mätdatan i samma plot som er övriga data via MATLAB-skriptet. OBS, spara datan till det framtida MOS-projektet!

8 3 Mätutrustning Multimeter: Agilent 34401A Från datablad: Shunt resistans 5 Ohm i intervallet 10 ma och 100 ma, och 0,1 Ohm i intervallet 1 A och 3 A. Multimeter: Escort EDM2347 Diverse DC-källor Kopplingsbord och kablar