Учебная работа. Курсовая работа: Расчет МДП-транзистора с индуцированным каналом

Учебная работа. Курсовая работа: 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 GaAsвыбираем Si3
N4
, 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
1,18

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 значение максимальное В при см-3
. Для того, 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

1013

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

4,29
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
11
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
0,15
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