Учебная работа. Расчет МДП-транзистора с индуцированным каналом

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Расчет МДП-транзистора с индуцированным каналом

Оглавление

1. основные
сведения

2. Расчет
МДП-транзистора с индуцированным каналом

Выводы



1. основные сведения

Упрощенная
структура МДП-транзистора с n-каналом, сформированного на подложке p-типа электропроводности,
показана на рисунке 1.

Транзистор
состоит из МДП-структуры, двух сильнолегированных областей противоположного типа
электропроводности по сравнению с электропроводностью подложки и электродов истока
и стока. При напряжении на затворе, превышающем пороговое напряжение (), в приповерхностной области полупроводника под
затвором образуется индуцированный электрическим полем затвора инверсный слой, соединяющий
области истока и стока. Если подано напряжение между стоком и истоком, то по инверсному
слою, как по каналу, движутся основные для канала носители заряда, т.е. проходит
ток стока.

 

2. Расчет МДП-транзистора
с индуцированным каналом

I. Выбор длины канала и диэлектрика под затвором транзистора:

а) выбор
диэлектрика под затвором:

В качестве
диэлектрика для GaAs выбираем Si3N4, т.к. он обладает довольно высокой электрической прочностью,
а также образует сравнительно небольшую плотность поверхностных состояний.

б) определение
толщины диэлектрика под затвором:

Слой диэлектрика
под затвором желательно делать тоньше, чтобы уменьшить пороговое напряжение и повысить
крутизну передаточной характеристики. С учётом запаса прочности имеем выражение:

В,  => нм

в) выбор
длины канала:

Минимальную
длину канала длинноканального транзистора можно определить из соотношения:

,

где  — глубина залегания p-n-переходов истока и стока,
 — толщина слоя диэлектрика под затвором,  и  — толщины p-n-переходов истока
и стока,  — коэффициент ( мкм-1/3).

Толщину
p-n-переходов истока
и стока рассчитаем в приближении резкого несимметричного p-n-перехода:

,

где В, , ,

В


мкм

мкм

мкм

Результаты
вычислений сведем в таблицу:

, мкм

, см-3

, см-3

, см-3

, В

, мкм

, мкм

, мкм

, мкм

0,16

107

1016

1017

1,102

1,6

0,36

0,2

4,29

Данный
выбор концентраций обусловлен тем, что для вырождения полупроводника должны выполняться
условия см-3 и см-3. С другой стороны при уменьшении
 или при увеличении  происходит
резкое увеличение длины канала (более 5 мкм). Поэтому и были выбраны такие значения
концентраций. Глубина перехода выбрана исходя из тех же соображений.

II. Выбор удельного сопротивления подложки:

Удельное
сопротивление полупроводника определяется концентрацией введенных в него примесей.
В нашем случае см-3 => Ом·см. Удельное сопротивление подложки определяет
ряд важных параметров

МДП-транзистора
(максимальное напряжение между стоком и истоком и пороговое напряжение).

максимально
допустимое напряжение между стоком и истоком определяется минимальным из напряжений:
пробивным напряжением стокового перехода или напряжением смыкания областей объемного
заряда стокового и истокового переходов.

а) напряжение
смыкания стокового и истокового переходов:

Напряжение
смыкания стокового и истокового переходов для однородно легированной подложки можно
оценить, используя соотношение:

,

где  — длина канала, которую принимаем равной минимальной
длине . Пример расчета:

В — при см-3

Результаты
вычислений сведем в таблицу:

, см-3

1014

1015

1016

1017

, В

32,3

70,1

152,3

330,8

б) пробивное
напряжение стокового p-n-перехода:

Пробой
стокового p-n-перехода имеет лавинный характер и определяется по эмпирическому
соотношению:

В –

намного
больше, чем напряжение смыкания p-n-переходов.

Скорректируем

Результаты
вычислений сведем в таблицу:

, см-3

1014

1015

1016

1017

, В

293,4

88,9

26,1

7,2

, В

152,2

61,4

25,3

10,8

Пример
расчета:

для см-3: В

В

Рис.2.
Зависимость максимальных напряжений на стоке от концентрации примесей.

 

Исходя
из найденной ранее концентрации примесей см-3,
имеем наименьшее из полученных напряжений В,
что удовлетворяет условию задания (В).

III. Расчет порогового напряжения:

Пороговое
напряжение МДП-транзистора с индуцированным каналом — это такое напряжение на затворе
относительно истока, при котором в канале появляется заметный ток стока и выполняется
условие начала сильной инверсии, т.е. поверхностная концентрация неосновных носителей
заряда в полупроводнике под затвором становится равной концентрации примесей.

Пороговое
напряжение, когда исток закорочен с подложкой, можно рассчитать по формуле:

 — эффективный удельный
поверхностный заряд в диэлектрике,  — удельный заряд
ионизированных примесей в обедненной области подложки,  —
удельная емкость слоя диэлектрика единичной площади под затвором,  — контактная разность потенциалов между электродом
затвора и подложкой,  — потенциал, соответствующий
положению уровня Ферми в подложке, отсчитываемый от середины запрещенной зоны.

Заряд ионизированных
примесей определяется соотношением:

,

где  — толщина обедненной области под инверсным слоем
при .

Контактная
разность потенциалов между электродом затвора и подложкой находится из соотношения:

.

 

Пример
расчета:

 

В — для см-3

 Кл/см2

В

В

В качестве
металла электрода была выбрана платина (Pt), т.к. она имеет наибольшую
работу выхода электронов, что увеличивает пороговое напряжение.

Результаты
вычислений сведем в таблицу:

, см-3

, В

, см-3

, В

металл электродов

, эВ

, В

1011

0,65

0,5·10-8

2,08

Al

4,1

0,88

1012

0,71

0,6·10-8

2,06

Ni

4,5

1,28

1013

0,79

0,7·10-8

2,04

Cu

4,4

1014

0,92

0,8·10-8

2,02

Ag

4,3

1,08

1015

1,22

0,9·10-8

2,00

Au

4,7

1,48

1016

2,08

10-8

1,98

Pt

5,3

2,08

В результате
расчетов было получено чтобы получить В, требуется ввести новый технологический процесс,
а именно имплантацию в приповерхностный слой отрицательных ионов акцепторной примеси
с зарядом  Кл/см-2, которая позволит
увеличить пороговое напряжение.

В итоге
получаем следующие параметры:

, см-3

, см-3

, эВ

, мкм

, Ф/см2

T, K

, В

107

1016

1,43

0,16

5·10-8

0

0,52

, эВ

, эВ

, эВ

, В

, Кл/см2

, Кл/см2

, В

4,07

5,307

5,3

-0,0072

5,68·10-8

9,6·10-8

4

Температурная
зависимость порогового напряжения:

ККК

, см-3

, В

, 10-8 Кл/см2

, В

, В

0

0,35

0,36

0

0,15

0,15

0,52

0,17

0,16

2,34

2,72

2,73

1014

0

0,41

0,42

0

0,50

0,51

0,52

0,11

0,099

2,34

2,85

2,86

1015

0

0,46

0,48

0

1,69

1,71

0,52

0,051

0,04

2,34

3,15

3,16

1016

0

0,52

0,53

0

5,68

5,75

0,52

-0,0072

-0,02

2,34

4,00

4,03

Рис.3.
Температурная зависимость порогового напряжения.


Из приведенных
расчетов видно, что концентрация примесей, а также количество вводимых ионов были
выбраны правильно, что обеспечило требуемую величину порогового напряжения (4 В).

IV. Определение ширины канала:

Ширину
канала в первом приближении можно определить из соотношения:

,

где  — крутизна характеристики передачи,  — заданный ток стока,  — подвижность носителей заряда в канале при слабом
электрическом поле.

Пример
расчета:

 

мкм

Результаты
вычислений сведем в таблицу:

, мкм

, мА/В

, Кл/см2

, В

, Ф/см2

, см2/ (В·с)

, мА

, мкм

1,2

5,68·10-8

0,52

5·10-8

700

40

9,41

Т.к. ширина
канала по величине сравнима с длиной каналу (),
то выбираем топологию транзистора с линейной конфигурацией областей истока, стока
и затвора.


V. Расчет выходных статических характеристик МДП-транзистора:

Выходные
статические характеристики представляют собой зависимости тока стока от напряжения
на стоке при постоянных напряжениях на затворе:

,

где  — критическая напряженность продольной составляющей
электрического поля в канале.

На пологом
участке вольт-амперной характеристики, т.е. при ,
воспользуемся следующей аппроксимацией:

,

где  — ток стока при ,
 — длина "перекрытой" части канала вблизи
стока.

Расчет  произведем по
формуле:

где  = 0,2 и  = 0,6 —
подгоночные параметры.

Пример расчета:

 

В

В

мкм

мА

Результаты
вычислений сведем в таблицу:

, В

, В

, В

, В

, мА

, В/см

-0,108

20

10,35

4

4,58

40000

, В

0

1

2

3

4

5

6

7

, мкм

—-

—-

—-

—-

—-

—-

—-

—-

, мА

0

1,11

1,99

2,71

3,28

3,73

4,06

4,31

, В

8

9

10

12

13

14

15

, мкм

—-

—-

—-

0,031

0,073

0,108

0,139

0,166

, мА

4,47

4,56

4,58

4,61

4,66

4,7

4,73

4,76

Рис.4.
Статические выходные характеристики транзистора.

Зависимость,
построенная на данном графике, довольно точно характеризует практическую
закономерность возрастания выходного тока при увеличении напряжения между стоком
и истоком. характерный рост тока происходит до В (В), после чего наступает насыщение,
при котором ток стока слабо зависит от напряжения на стоке из-за отсечки
канала.

VI. Расчет крутизны характеристики передачи:

Если напряжение
на стоке меньше напряжения насыщения, то крутизна определяется соотношением:


При  расчет крутизны
характеристики передачи производим по приближенной формуле:

 

Пример расчета:

 

мА/В

Результаты
вычислений сведем в таблицы:тВ

, В

0

1

2

3

4 …. 20

, мА/В

0

0,076

0,15

0,23

0,3

В

, В

0

1

2

10

11 …. 20

, мА/В

0

0,076

0,15

0,76

0,79

В

, В

0

1

2

16

17 …. 20

, мА/В

0

0,076

1,2

1,24


Рис.5. Крутизна
характеристики передачи транзистора.

Как видно из
графика и расчетов, крутизна характеристики передачи, выбранная для расчета
ширины канала (на графике обозначена  мА/В), обеспечивается при В и В.



Выводы

В данной работе
был произведен расчет основных параметров МДП-транзистора с индуцированным n-каналом, а также выбор и обоснование использования материалов и
технологических методов его изготовления.

итоговые значения
основных параметров: толщина диэлектрика под затвором нм, минимальная
длина канала (критерий длинноканальности) мкм, концентрация примесей в подложке см-3,
максимальное напряжение на стоке В, пороговое напряжение В, ширина канала мкм. По этим параметрам был произведен расчет выходной
характеристики транзистора, выбор топологии и построение зависимости крутизны
ВАХ от напряжений на стоке и затворе.

1. Топология
транзистора 2. Поперечное сечение транзистора

Учебная работа. Расчет МДП-транзистора с индуцированным каналом