Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора - Курсовая работа

Полевой транзистор (ПТ) - полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. По типу используемых активных элементов различают полупроводниковые ИС на биполярных и (или) полевых (униполярных) транзисторах. К полевым относятся транзисторы с управляющими переходами (p-n-переходом или переходом металл-полупроводник) и МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник). Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик - полупроводник).6 Концентрация примеси в подложке, см-3 NB = 2•1015 7 Подвижность электронов в канале, см2/В•с mn = 500 Общие данные e = 1.62*10-19 Кл - заряд электрона, ?0 = 8.85*10-14 Ф/см диэлектрическая проницаемость вакуума, ? = 11.9 - относительная проницаемость Si, ?d = 3.4 - относительная проницаемость диэлектрика, Es = 1.5*104 В/см - продольное электрическое поле в канале, Vt = 1 В - пороговое напряжение. При заданных исходных данных обеспечить пороговое напряжение: 2. Рассчитать и построить выходные характеристики при в диапазоне напряжений: (шаг 1 В) - в приближении идеализированной модели, - реальная ВАХ.Наибольший практический интерес представляет изопланарная технология изготовления МДП-структур, особенностью которой является изоляция МДП-структур толстым слоем оксида кремния. Применение этой технологии позволяет совместно формировать на одной подложке как биполярные, так и МДП-структуры. На поверхности кремниевой подложки р-типа формируют маску из нитрида кремния и ионным внедрением бора создают противоканальные области р -типа (рис. Удаляют слой Si3N4, затем ионным легированием бора создают слой с повышенной концентрацией акцепторов, который необходим для снижения порогового напряжения, далее формируют тонкий подзатворный слой SIO2 (рис. В рамках идеализированной модели ток стока является функцией двух напряжений: или и не зависит от потенциала подложки (т.е. от напряжения ).В соответствии с заданием, транзистор имеет следующие характерные размеры: L = 3 мкм, W = 50 мкм, d = 0.08 мкм, xj = 0.4 мкм. Масштабный эскиз структуры показан на рисунке 1.1. При пороговое напряжение n-МДП-транзистора рассчитывается по формуле (1.1): ,(1.1) где: - ?GB - контактная разность потенциалов затвор - полупроводник, - ?G, ?B - их потенциалы соответственно, - QSS-плотность поверхностного заряда на границе диэлектрик-полупроводник, - QSB0 - поверхностная плотность заряда в канале, - CS - удельная емкость диэлектрика. Контактная разность потенциалов затвор - подложка: Термодинамическая работа выхода из полупроводника: Выберем в качестве материала затвора n - Si*. Тогда - работа выхода из металла, Получаем контактную разность потенциалов затвор-подложка: (1.3)В этом приближении действие подложки не учитывается, а толщина ОПЗ под затвором считается постоянной и равной . Данные для построения семейства идеальных ВАХ МДП-транзистора представлены в таблице 1.2, а само семейство изображено на рис.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора

1.1 Исходные данные. Задание

1.2 Теоретические сведения

1.2.1 Краткий технологический маршрут изготовления МДП-структур

1.2.2 Основные сведения о работе транзисторов со структурой МДП

1.3 Структура и топология МДП-транзистора

1.4 Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора

1.5 Расчет ВАХ в рамках идеализированной модели

1.6 Расчет ВАХ с учетом неоднородности ОПЗ под затвором

1.7 Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры

1.8 Расчет и корректировка порогового напряжения с учетом эффектов короткого и узкого канала

1.9 Расчет реальной ВАХ, зависящей от VBS

1.10 Расчет параметров эквивалентной схемы

1.11 Выводы главы

Список используемой литературы

Вычислено и построено семейство ВАХ идеального транзистора при различных напряжениях затвор-исток .

1.6 Расчет ВАХ с учетом неоднородности ОПЗ под затвором: Крутая область ВАХ: ,(1.10)

Где - коэффициент влияния подложки

Расчет проведем для , .

Напряжение насыщения определяется соотношением: ,(1.11)

Где .

Для , : Ток насыщения IDS определяется из выражения (1.10) при :

Пологая область ВАХ: Для пологой области расчет ВАХ проводится следующим образом (рис. 1.4)

- Рассчитывается эффективная длина канала с учетом насыщения дрейфовой скорости носителей в канале и модуляции длины канала

- Рассчитывается ток стока с учетом предыдущего пункта при

- Пологая область ВАХ строится как линия, проходящая через точки

Рис. 1.4 - Методика построения ВАХ реального транзистора в пологой области

Вычислим при : (1.12)

Эффективная длина канала: , (1.13) где ES = 15 КВ/см - поле насыщения скорости электронов, (1.14) толщина ОПЗ под стоком на границе с пологой областью, (1.15) контактная разность потенциалов сток-подложка.

Из (1.13),(1.14) и (1.15) найдем: Эффективная длина канала: Ток стока при В:

На рис. 1.5 показаны ВАХ транзистора, рассчитанные в рамках идеальной и реальной моделей при .

Рис. 1.5 - ВАХ транзистора, рассчитанные в рамках идеальной и реальной моделей при , a - идеальная модель, VBS = 0B; b - реальная модель, VBS = 0B.

Выводы: В результате расчета была вычислена реальная ВАХ транзистора в отсутствие напряжения подложка-исток VBS =0B. интегральный малосигнальный транзистор топология

1.7 Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры

Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6 - Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора

G - выходная проводимость, ;

- выходное сопротивление

GSVGS - генератор тока;

GBVBS - генератор тока; генераторы моделируют ВАХ транзистора.

Сопротивления между внутренними и внешними узлами: RG - сопротивление затвора;

RD - сопротивление стока;

RS - сопротивление истока;

RB - сопротивление подложки;

Емкости определяются режимом работы транзистора по постоянному току: CGD - диффузионная емкость перехода затвор-сток;

CG - барьерная емкость затвора;

CBD - диффузионная емкость перехода подложка-сток;

CBS - диффузионная емкость перехода подложка-исток;

В данной схеме режим работы транзистора(постоянные составляющие напряжений Vgs, Vds, Vbs и постоянная составляющая тока Id) считается заданным и исследуются только малые переменные составляющие напряжений и токов (сигналов).

1.8 Расчет и корректировка порогового напряжения с учетом эффектов короткого и узкого канала

С учетом эффекта короткого канала изменение порогового напряжения рассчитывается по формуле 1.16: , (1.16)

Где , , - толщина ОПЗ под затвором, истоком и стоком, xj - толщина n - областей, - контактная разность потенциалов n -область - р-подложка.

Рассчитаем случай, когда , .

, , , , С учетом эффекта узкого канала изменение порогового напряжения рассчитывается по формуле (1.17): , (1.17)

Выводы: С учетом эффектов короткого и узкого канала получим изменение порогового напряжения .

1.9 Расчет реальной ВАХ, зависящей от

Расчет реальной ВАХ при проводится аналогично разделу 1.6. Результаты расчета выходной ВАХ рассматриваемого МДП-транзистора при , , в рамках модели вместе с данными рис. 1.5 показаны на рис. 1.7

Крутая область ВАХ: Коэффициент влияния подложки: ,

Расчет проведем для , : ,

Напряжение насыщения: ,

Ток насыщения IDS определяется из выражения (1.10) при :

Пологая область ВАХ: Вычислим при из соотношения (1.12).

Из формул (1.13) , (1.14) и (1.15) найдем: - толщина ОПЗ под стоком на границе с пологой областью, - эффективная длина канала.

Ток стока при :

Выводы: В результате расчета была вычислена реальная ВАХ транзистора при напряжении подложка-исток .

Рис. 1.7 - ВАХ транзистора, рассчитанные при VGS = 4В с учетом различных приближений: а-идеальная модель, VBS =0B; b-реальная модель, VBS =0B; с-реальная модель, VBS =-2B.

1.10 Расчет параметров эквивалентной схемы: Рассчитаем малосигнальные параметры эквивалентной схемы, показанной на рис. 1.6.

Крутизна ВАХ: (1.18)

Выходная проводимость: (1.19)

Собственный коэффициент усиления по напряжению: (1.20)

Выводы: Используя реальную ВАХ транзистора в отсутствие напряжения подложка-исток, провели расчет малосигнальных параметров эквивалентной схемы МДП-транзистора.

Выводы главы: В данной главе произведен расчет параметров МДП-транзистора.

Сводка результатов представлена в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Сводка конечных результатов

№ Параметр Результат

1 Топологический чертеж транзисторной структуры Рис. 1.1

2 Малосигнальная эквивалентная схема Рис. 1.2

3 Рассчитанное пороговое напряжение Vt0, B 0,0215

4 Доза подлегирования D, см-2 3,316•1010

5 Коэффициент влияния подложки КВ,B1/2 0,707

6 Толщина ОПЗ под затвором LT, мкм 0,642

7 Толщина ОПЗ под истоком LS, мкм 0,760

8 Толщина ОПЗ под стоком LD, мкм 1,782

9 Крутизна ВАХ g, МКА/В 712,5

10 Выходная проводимость G, Ом-1 2,64•10-4

11 Собственный коэффициент усиления по напряжению К 2,697

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Старосельский В.И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники: учеб. пособие - М.: Высшее образование; Юрайт-Издат, 2009.

2. Парменов Ю.А. Элементы твердотельной наноэлектроники. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2011.

3. Балашов А.Г., Крупкина Т.Ю., Лосев В.В., Старосельский В.И. Наноэлектронные устройства и их модели. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2011.

4. Симонов Б.М., Бритков О.М. Технологические процессы изготовления МДП интегральных схем. Лабораторный практикум под ред. проф. Тимошенкова С.П. М.: МИЭТ, 2012.

5. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов, М.: Техносфера, 2011.

6. Нахалов В.А. Электронные твердотельные приборы. Учебное пособие. Хабаровск: ДВГУПС, 2007

7. Красюков А.Ю., Титова И.Н. Учебно-методическое пособие для самостоятельно работы студентов по дисциплине «Элементы твердотельной наноэлектроники» - М.: МИЭТ, 2011.

8. Титова И.Н. Методические указания по выполнению курсового проекта. Учебно-методическая разработка для самостоятельной работы студентов по курсу «Элементы твердотельной электроники и физики полупроводниковых приборов».

Размещено на .ru