Характеристики интегрального n-канального МДП-транзистора: технологический маршрут, структура, топология. Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора с учетом эффектов короткого и узкого канала. Параметры малосигнальной эквивалентной схемы.
Аннотация к работе
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.
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
Список 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.
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.
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.
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».