CC BY
18ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 6 (11) • 2017
УДК 621.383.52:535.243
ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА ДЛЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДАТЧИКА
Тураев Акмал Атаевич, преподаватель, Ахтамов Б. Р., преподаватель, Бухарский государственный университет, Бухара, Узбекистан
Экспериментально показано, что полевой транзистор с нижним плоскостным затвором и открытым каналом в режиме запирания канала напряжением сток-затвор, обладает более чем в два раза большим фототоком или на порядок большей фоточувствительностью в отличие от известных режимов включения. При этом напряжение питания составляет 2...3 В, а рабочие токи меньше 10 мкА, что на три порядка меньше по сравнению с диодным режимом включе-
Ключевые слова: полевой транзистор; режим запирания канала; фототок перехода сток-затвор; рабочие токи.
THE MAIN CRITERIA FOR THE FIELD-EFFECT TRANSISTOR (FET) PARAMETERS FOR A MULTIFUNCTION SENSOR
Turaev Akmal Ataevich, lecturer, Akhtamov B. R., lecturer, Bukhara State University, Bukhara, Uzbekistan
It has been shown experimentally that a field-effect transistor with a lower plane shutter and an open channel in the mode of locking the channel with a drain-gate voltage has more than twice the photocurrent or an order of magnitude greaterphotocompatibility than the known switching regimes. At the same time, the supply voltage is 2... 5 V, and the operating currents are less than 10 ¡лА, which is three orders of magnitude lower than the diode mode of inclusion.
Keywords: field effect transistor, channel lock mode, photocurrent transition drain-gate, operating currents.
Введение. Возрастающий интерес, проявляемый к микромощным [1] полупроводниковым приборам со стороны специалистов в области радиоэлектроники, отображения информации и оптоэлек-троники, обусловлен их превосходными характеристиками: малым потреблением энергии, надежностью, большим сроком службы, а также высокой стабильностью их параметров. С этой точки зрения полевые транзисторы, отличающиеся широким набором режимов включения, являются востребованными. В частности, для создания структур с максимальной фоточувствительностью требуются полевые транзисторы с глубиной залегания р-п-пе-
рехода, соизмеримой с глубиной проникновения светового излучения [2]. Кроме того свойства полевого транзистора также могут быть расширены за счет реализации новых режимов включения и выбора измерительного параметра [3].
Настоящая работа посвящена исследованию фотоэлектрических свойств кремниевого полевого транзистора с р-п-пе-реходом в режиме запирания канала напряжением сток-затвор.
Для достижения поставленной цели при проведении исследований как измерительный параметр нами выбран потенциал перехода исток-затвор задающий толщину области объемного заряда между каналом
и затвором. Многие физические процессы, такие как генерация неосновных носителей, изменение емкости и высоты потенциального барьера, связаны с динамикой изменения области объемного заряда.
Экспериментальные образцы
Исследуемый кремниевый полевой транзистор с р-п-переходом, показанный на рис. 1, содержит низкоомную подложку р-типа с нижним электродом затвора и выращенный на его поверхности эпи-таксиальный высокоомный слой п-типа, на поверхности которого сформированы омические контактные области стока и истока, а между ними расположен канал. Концентрация носителей в подложке составляет 1,0-1019 см3, а в канале 21015 см3. Толщина канала равна ~1 мкм, а длина 50 мкм. Исследуемые транзисторы имеют типичные для полевого транзистора сублинейные вольтамперные характеристики с максимальным током стока 440^460 (400^800) мкА и напряжение отсечки канала 0,6...2,0 В.
реходе исток-затвор, фиксируется вторым вольтметром. По мере увеличения напряжения на стоке, до достижения отсечки канала, падение напряжения на истоке линейно увеличивается и, с наступлением момента отсечки канала слоем объемного заряда, становится равным напряжению отсечки и далее в рабочем режиме сохраняется на этом уровне. При заданном рабочем напряжении (2 В и 4 В) воздействие на канал какого-либо фактора (давления, света или температуры), приводит к изменению потенциала на переходе исток-затвор, который идентифицируется как измерительный параметр. При этом относительно рабочего напряжения переход затвор-канал, можно сказать, включен в диодном режиме, или при подсветке он действует аналогично фотодиоду. Однако он принципиально отличается от фотодиода. Так, в предлагаемом рабочем режиме запирания канала напряжение на переходе сток-затвор в два и более раза больше, чем на переходе исток-затвор. В случае, когда вывод истока замкнут со стоком (диодный режим) он превращается в диод с тонкой
Рис. 1. Геометрия исследуемого полевого транзистора
Методика эксперимента
Электрическая схема включения полевого транзистора для измерения падения напряжения на переходе исток-затвор приведена на рис. 2. Рабочее напряжение с блока питания, к которому подключен первый вольтметр, через микроамперметр подается к переходу сток-затвор. При этом потенциал, создаваемый на пе-
Рис. 2. Схема измерения падения напряжения на переходе исток-затвор в режиме запирания канала напряжением сток-затвор
базой.
В режиме запирания канала напряжением сток-затвор ток стока выходит на насыщение, имея низкие значения (нА), столь незначительное значение рабочего тока практически не будет оказывать влияния на генерируемый от подсветки канала фо-тоток.
технические науки
наука без границ • № 6 (11) • 2017
I , А
с-з
3,0x10"°-2,0x10"9-1,0x10"9-
0,0
О 2 4 6 8 10 и,В
сз
Рис. 3. Зависимости тока стока от напряжения сток-затвор
Основные критерии выбора параметров полевого транзистора для многофункционального датчика
Физическая особенность многофункционального датчика заключается в том, что, если в известном термочувствительном полевом транзисторе отрицательный температурный коэффициент зависимости проводимости канала подавляется за счет выбора концентрации носителей вблизи точки перехода температурной чувствительности подвижности от высоких значений к низким [4], то в нашем случае наряду с температурной чувствительностью необходимо обеспечить также фоточувствительность, чувствительность к давлению. Эти свойства можно обеспечить, включив полевой транзистор в режиме запирания канала напряжением сток-затвор. При заданном рабочем напряжении воздействие на канал света или температуры (давления) приводит к изменению потенциала на переходе исток-затвор, который, как было предложено в работе [3] идентифицируется как измерительный параметр. Другая конструктивно-технологическая особенность исследуемого полевого транзистора заключается в доступности канала к внешним воздействиям, что позволяет исследовать его чувствительность к световому излучению, давлению и другим воздействиям [5, 6].
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Световое воздействие осуществляли с
помощью 100 ваттной галогенной лампы с максимумом длины волны 0,55 мкм. Освещенность измеряли с помощью люксметра с минимальной шкалой 30 люкс. Исследовались полевые транзисторы с различным напряжением отсечки (рис. 5, кривые 1 и 2).
Переходя к чувствительности полевого транзистора к световому излучению в исследуемом режиме, следует отметить, что падение напряжения, то есть его величина с увеличением интенсивности освещения вначале при малых интенсивностях (до 500 лк) линейно уменьшается с определенным коэффициентом (участок I), и далее снижение напряжения замедляется и значение этого коэффициента уменьшается на полпорядка, рис. 5 (участок II).
Рис. 4. Зависимости падения напряжения на переходе затвор-исток от освещенности в режиме запирания канала напряжением сток-затвор: I - 0,000048 мВ/лк = 0,048 мкВ/ лк, иотс = 0,97 В; II - 0,00001 мВ/лк = 0,01 мкВ/лк, иотс = 0,98 В
Такое поведение напряжения отсечки от светового излучения можно объяснить сменой воздействующего светового характера на тепловой. То есть, при малых интенсивностях освещения разогрев структуры незначителен и его вклад на напряжение отчески незаметен, однако в дальнейшем температура структуры начинает повышаться и процесс снижения напряжения отсечки замедляется, начинает превалировать влияние температуры, от которого напряжение отчески должно уве-
личиваться (рис. 4), что и наблюдается при больших интенсивностях (свыше 6000 лк).
По физике при подсветке канала в области объемного заряда перехода затвор-канал генерируются электронно-дырочные пары, которые создают фототок на переходе исток-затвор, приводя к уменьшению сопротивления этого перехода Язи = иотс / (/ + / ) 9 что в свою очередь приведет к уменьшению падения напряжения и к соответствующему увеличению тока сток-затвор (за счет увеличения толщины проводящей части канала). Здесь имеем два параметра: напряжение отсечки и фототок на переходе сток-затвор.
1Ф, мкА
3J 2 1 0
.. 1
Ф, лк
0 1000 2000 3000 4000 Рис. 5. Зависимости фототока от интенсивности освещения в режиме короткого замыкания (1) и (2) запирании канала напряжением сток-затвор
Как показали исследования, в режиме короткого замыкания, когда выводы затвора и истока закорочены через амперметр с повышением интенсивности освещения
канала от галогенной лампы фототок увеличивается близко к линейному (рис. 5, кривая 1). При этом в режиме запирания канала напряжением сток-затвор имеем в два раза больший фототок (кривая 2) с чувствительностью 0,0018 мкА/лк.
В отличие от напряжения отсечки фототок перехода сток-затвор является более информативным и имеет более чем в два раза большее значение или на порядок больший фототок в отличие от известных режимов включения и стандартных фотодатчиков [7], характеризуя высокую чувствительность полевого транзистора к световому излучению, при этом отличается линейностью характеристики в отличие от тока стока и напряжения отсечки канала.
Заключение
Таким образом, экспериментально показано, что полевой транзистор с нижним плоскостным затвором и открытым каналом в режиме запирания канала напряжением сток-затвор, обладает в два раза большим фототоком или на порядок большей фоточувствительностью в отличие от известных режимов включения и фото диодных структур. При этом напряжение питания составляет 2...5 В, а рабочие токи меньше 10 мкА, что на три порядка меньше по сравнению с диодным режимом включения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Vullers R. J. M., Schaijk Van R., Doms I. et al. Micropower energy harvesting // Solid-State Electronics. - 2009. - V. 53. - P. 684-693.
2. Гаврушко В. В., Ласткин В. А. Широкодиапазонный кремниевый фотодиод // Радиоэлектроника. Вестник Новгородского государственного университета. - 2014. - № 81. - С. 53-55.
3. Patent RUz number the IAP 05120 «Multi-sensor-based field effect transistor» // A. V. Karimov, D. M. Yodgorova, O. A. Abdulkhaev, D. R. Dzhurayev, A. A. Turaev. - Bull. № 11, from 11.30.2015.
4. Karimov A. V., Bakhronov Sh. N. The thermoelectric converter // Technical Physics Letters. -1999. - № 25. - P. 101-102.
5. Karimov A. V., Djuraev D. R., Abdulhaev O. A., Rahmatov A. Z., Yodgorova D. M., Turaev A. A. Tenso properties of field-effect transistors in channel cutoff mode. International Journal of Engineering Inventions e-ISSN: 2278-7461, p-ISSN: 2319-6491. - 2016. - Volume 5, Issue 9. -
тЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 6 (11) • 2017
P. 42-44.
6. Karimov A. V., Yodgorova D. M., Abdulhaev O. A., Kamanov B. M., Turaev A. A. Features of the temperature properties of a field-effect transistor in a current-limiting mode // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2013. - V. 86. - № 1. - Р. 248-254.
7. Вартанян С. П. Оптоэлектронные приборы и устройства в полиграфии: Учебное пособие. - М. : Издательство МГУП, 2000. - 187 с.
REFERENCES
1. Vullers R. J. M., Schaijk Van R., Doms I. et al. Micropower energy harvesting // Solid-State Electronics. - 2009. - V. 53. - P. 684-693.
2. Gavrushko V. V., Lastkin V. A. Shirokodiapazonnyy kremnievyy fotodiod. // Radioelektronika. Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2014. - № 81. - S. 53-55.
3. Patent RUz number the IAP 05120 «Multi-sensor-based field effect transistor» // A. V. Karimov, D. M. Yodgorova, O. A. Abdulkhaev, D. R. Dzhurayev, A. A. Turaev. - Bull. № 11, from 11.30.2015.
4. Karimov A. V., Bakhronov Sh. N. The thermoelectric converter // Technical Physics Letters. -1999. - № 25. - P. 101-102.
5. Karimov A. V., Djuraev D. R., Abdulhaev O. A., Rahmatov A. Z., Yodgorova D. M., Turaev A. A. Tenso properties of field-effect transistors in channel cutoff mode. International Journal of Engineering Inventions e-ISSN: 2278-7461, p-ISSN: 2319-6491. - 2016. - Volume 5, Issue 9. -P. 42-44.
6. Karimov A. V., Yodgorova D. M., Abdulhaev O. A., Kamanov B. M., Turaev A. A. Features of the temperature properties of a field-effect transistor in a current-limiting mode // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2013. - V. 86. - № 1. - R. 248-254.
7. Vartanyan S. P. Optoelektronnye pribory i ustroystva v poligrafii: Uchebnoe posobie. - M. : Izdatel'stvo MGUP, 2000. - 187 s.
Материал поступил в редакцию 03.06.2017 © Тураев А. А., Ахтамов Б. Р., 2017
