Реферат: 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:

--PAGE_BREAK--

/>, 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 значение пробивного напряжения, считая искривленные участки на краях маски цилиндрическими, а на углах — сферическими:

/>

/>

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

    продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--

----

----

----

----

----

----

----

/>, мА

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: т/>В

/>, В

1

2

3

4 …. 20

/>, мА/В

0,076

0,15

0,23

0,3

/>В

/>, В

1

2

10

11 …. 20

/>, мА/В

0,076

0,15

0,76

0,79

/>В

/>, В

1

2

16

17 …. 20

/>, мА/В

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