Расчет МДП-транзистора с индуцированным каналом
Структура и параметры МДП-транзистора с индуцированным каналом, его топология и поперечное сечение. Выбор длины канала, диэлектрика под затвором транзистора, удельного сопротивления подложки. Расчет порогового напряжения, крутизны характеристики передачи.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.11.2010 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
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 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 |
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 значение 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
Подобные документы
Электрические характеристики кремниевого интегрального n-канального транзистора. Расчет порогового напряжения транзистора. Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры. Корректировка порогового напряжения с учетом эффектов короткого и узкого канала.
курсовая работа [864,3 K], добавлен 17.12.2014Принцип действия биполярного транзистора. Его статические характеристики и эксплуатационные параметры. Температурные и частотные свойства транзистора. Эквивалентные схемы полевых транзисторов. Схематическое изображение ПТ с изолированным затвором.
лекция [460,9 K], добавлен 15.03.2009Принцип работы полевого транзистора. Стоковые характеристики транзистора. Причина насыщения в стоковой характеристике полевого транзистора. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Инверсия типа проводимости.
лабораторная работа [37,8 K], добавлен 20.03.2007Расчет каскада транзисторного усилителя напряжения, разработка его принципиальной схемы. Коэффициент усиления каскада по напряжению. Определение амплитуды тока коллектора транзистора и значения сопротивления. Выбор типа транзистора и режима его работы.
контрольная работа [843,5 K], добавлен 25.04.2013Параметры транзистора МП–40А, чертеж его основных выводов. Входная и выходная характеристики данного транзистора. Определение параметров для схемы с общим эмиттером. Схема с общим коллектором и общей базой. Расчет параметров для соответствующей схемы.
контрольная работа [642,0 K], добавлен 28.03.2011Получение входных и выходных характеристик транзистора. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером. Проведение измерения тока базы, напряжения база-эмиттер и тока эмиттера для значений напряжения источника. Расчет коллекторного тока.
лабораторная работа [76,2 K], добавлен 12.01.2010Расчет трансформатора, входного фильтра и параметров сглаживающего фильтра. Выбор транзистора по максимальному (амплитудному) значению тока. Определение площади радиатора транзистора. Проверка преобразователя на устойчивость к возмущающим воздействиям.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 09.06.2015Усиление транзисторного каскада. Выбор транзистора, определение напряжения источника питания, расчет сопротивления резисторов и емкости конденсаторов. Определение максимальных амплитуд источников сигнала для неинвертирующего усилителя постоянного тока.
контрольная работа [58,2 K], добавлен 03.12.2011Понятие и функциональное назначение биполярного транзистора как полупроводникового прибора с двумя близкорасположенными электронно-дырочными переходами. Анализ входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и базой.
лабораторная работа [1,3 M], добавлен 12.05.2016Характеристика біполярного транзистора - напівпровідникового елементу електронних схем, з трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Особливості принципу роботи, технології виготовлення на прикладі транзистора-КТ3107.
реферат [18,3 K], добавлен 02.02.2010
