Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Курсовая работа

по предмету: «Твердотельная электроника»

Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора

Выполнил: студент ЭКТ-46

Халирбагинов Р.И.

Проверил: Козлов А.В.

Москва - 2014



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 V_BS

1.10 Расчет параметров эквивалентной схемы

1.11 Выводы главы

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

Полевой транзистор (ПТ) - полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполярного, ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

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). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Если амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротивление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае полевой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.

По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:

- с управляющим p-n-переходом;

- с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком.

Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик - полупроводник). В большинстве случаев диэлектриком является двуокись кремния SiO2, поэтому обычно используется название МОП-транзисторы (металл - оксид - полупроводник).

Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную проводимость, называют p-канальными. В МОП-транзисторах канал может быть обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых приборов.

МДП-ИС занимают особое место среди изделий элементной базы микроэлектроники, так как обладают рядом существенных достоинств:

1. На одной пластине возможно создание МДП-транзисторов с каналами различного типа проводимости (комплементарные пары МДП-транзисторов, один из которых n-, а другой p-канальный). Структуры на комплементарных парах транзисторов расширяют функциональные возможности МДП-ИС.

2. В МДП-ИС формируются только МДП-структуры и соединения между ними. Эти же МДП-структуры могут быть использованы как резисторы (нагрузочные МДП-транзисторы) и конденсаторы (МДП-конденсаторы, диффузионные конденсаторы на основе p-n-переходов исток- и сток-подложка).

3. В качестве межсоединений используется не только металлическая (алюминиевая) разводка на поверхности окисла, но и высоколегированные диффузионные слои: n+-, p+-шины, формируемые одновременно с областями истоков и стоков МДП-транзисторов. Межсоединения могут строиться на основе материала затвора, им могут быть алюминий, Si*, молибден и ряд других. Следовательно, в МДП-ИС разводка (межсоединения) многоуровневая, с числом уровней два или более. [4, с. 6]

МОП-транзисторы находят широкое применение в современной энергетической электронике. По сравнению с другими полупроводниковыми приборами, такими как биполярные транзисторы или тиристоры, они обладают следующими преимуществами:

1. Малое время переключения и, вследствие этого, малые потери при переключении;

2. Малая мощность, затрачиваемая на переключение;

3. Возможность использования хорошо отработанных технологий производства МОП-интегральных схем.

Главные области применения мощных МОП-транзисторов - электрические приводы переменного тока, преобразователи частоты для электротехнических установок, источники вторичного электропитания.

Транзисторы применяются в усилительных схемах. Работают, как правило, в усилительном режиме. Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов.

Другое применение транзисторов - в схемах генераторов сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).

Наконец, транзисторы применяются в электронных ключах. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи используют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. [5, c.12]

Т.о., мы видим, что в настоящее время область применения МДП-ИС непрерывно расширяется и актуальность проблемы расчета электрических характеристик МДП-транзистора крайне велика. В связи с современными тенденциями необходимо знать и уметь рассчитывать эти параметры.



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

1.1 Исходные данные. Задание

Таблица 1.1

Исходные данные

1	Вариант	19
2	Материал затвора	Si*
3	Длина канала, мкм	L = 3
4	Ширина канала, мкм	W = 50
5	Толщина подзатворного диэлектрика (SiO2), мкм	d = 0.08
6	Концентрация примеси в подложке, см-3	NB = 2•1015
7	Подвижность электронов в канале, см2/В•с	n = 500
8	Плотность поверхностных состояний, см-2	Nss = 7•1010 (Qss > 0)
9	Концентрация примеси в контактных n+- слоях, см-3	N + = 1020
10	Толщина контактных п+-слоев, мкм	xj = 0.4

Общие данные

e = 1.62*10^-19 Кл - заряд электрона,

е₀ = 8.85*10^-14 Ф/см диэлектрическая проницаемость вакуума,

е = 11.9 - относительная проницаемость Si,

е_d = 3.4 - относительная проницаемость диэлектрика,

Е_s = 1.5*10⁴ В/см - продольное электрическое поле в канале,

V_t = 1 В - пороговое напряжение.

Задание

1. 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.

3. Привести малосигнальную эквивалентную схему, объяснить смысл элементов

4. Расчет и корректировку проводить с учетом эффектов короткого и узкого канала

5. В дополнение к п.2 построить реальную выходную ВАХ для ,

6. Рассчитать параметры эквивалентной схемы в режиме ,

1.2 Теоретические сведения

1.2.1 Краткий технологический маршрут изготовления МДП-структур

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. Процесс поэтапного формирования МДП-структуры:

1. На поверхности кремниевой подложки p-типа формируют маску из нитрида кремния и ионным внедрением бора создают противоканальные области p⁺-типа (рис. 1.0, а);

2. Окислением через маску создают разделительные слои SiO₂ (рис. 1.0, б);

3. 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. 1.0, в);

4. Наносят слой поликремния Si* и с помощью фотолитографии формируют рисунок затвора и поликремневых проводников;

5. Ионным легированием мышьяка формируют n⁺-области истока и стока (рис. 1.0, г);

6. Химическим паровым осаждением наносят на всю поверхность слой SiO₂;

7. С помощью фотолитографии в слое SiO₂ создают контактные окна;

8. Вакуумным испарением наносят сплошную алюминиевую пленку;

9. С помощью последней фотолитографии получают необходимый рисунок металлической разводки; [6, §1.3.3]

В результате всех этих операций получают структуру, показанную на рис. 1.0, д.

Рис. 1.0 - Технологический маршрут изготовления МДП-транзисторов

1.2.2 Основные сведения о работе транзисторов со структурой металл-диэлектрик полупроводник

1. В рамках идеализированной модели ток стока является функцией двух напряжений: или и не зависит от потенциала подложки (т.е. от напряжения ).

2. ВАХ идеализированного МДП транзистора определяется двумя параметрами:



и .

3. В пологой области ВАХ ток стока и крутизна ВАХ зависят только от напряжения затвор-исток:

; ,

а емкости; .

4. Предельная частота транзистора определяется соотношением:

и составляет:

5. Эффективными способами регулировки порогового напряжения являются:

а) применение поликремниевого затвора n⁺- или р⁺- типа;

б) подлегирование поверхности канала.

ВАХ реального МДП транзистора с длинным каналом:

1. В реальных МДП транзисторах пороговое напряжение и ВАХ зависят от напряжения подложка-исток.

2. Ток стока зависит от трех напряжений: . Влияние потенциала подложки учитывается дополнительными параметрами ВАХ и .

3. При через канал протекает подпороговый ток. Этот ток экспоненциально зависит от напряжения .

4. Пороговое напряжение зависит от температуры через параметр . Для любого типа канала ток при заданных напряжениях растет с температурой.

Эффекты малых размеров (короткий или узкий канал):

1. Эффекты малых размеров в МДПТ связаны с краевыми эффектами в ОПЗ, разогревом носителей в канале продольным полем и новыми механизмами тока.

2. Пороговое напряжение n-канальных транзисторов уменьшается при уменьшении длины канала, увеличении ширины канала и увеличении напряжения сток-исток; р-канальных -- наоборот.

3. Смыкание ОПЗ стока и истока приводит к эффекту, аналогичному пробою.

4. Ограничение дрейфовой скорости носителей в канале приводит к тому, что в пологой области ВАХ канал на границе со стоком не перекрывается полностью. Ограничение дрейфовой скорости носителей уменьшает ток стока в пологой области ВАХ и снижает напряжение сток-исток насыщения.

5. При увеличении напряжения сток-исток в пологой области ВАХ уменьшается эффективная длина канала. В результате выходная проводимость транзистора конечна.

1.3 Структура и топология МДП-транзистора

В соответствии с заданием, транзистор имеет следующие характерные размеры:

L = 3 мкм, W = 50 мкм, d = 0.08 мкм, x_j = 0.4 мкм.

Масштабный эскиз структуры показан на рисунке 1.1.



Рис. 1.1 - Структура исследуемого МДП-транзистора

Масштабная топология прибора показана на рисунке 1.2.

Рис. 1.2 - Топология исследуемого МДП-транзистора

1.4 Расчет и корректировка порогового напряжения

При пороговое напряжение n-МДП-транзистора рассчитывается по формуле (1.1):

,(1.1)

где:

- ц_GB - контактная разность потенциалов затвор - полупроводник,

- ц_G, ц_B - их потенциалы соответственно,

- Q_SS -плотность поверхностного заряда на границе диэлектрик-полупроводник,

- Q_SB0 - поверхностная плотность заряда в канале,

- C_S - удельная емкость диэлектрика.

На основе исходных данных рассчитываем компоненты для (1.1):

Потенциал подложки:

(1.2)

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)

Эффективное значение поверхностной плотности заряда на границе диэлектрик - полупроводник:

,(1.4)

где - ширина ОПЗ под затвором

Т.о.

Заряд, связанный с поверхностными состояниями на границе оксид-кремний:

(1.5)

Удельная емкость диэлектрика:

; ;(1.6)

Т.о., при заданных исходных данных обеспечивается пороговое напряжение:

Для обеспечения заданной величины порогового напряжения

необходимо увеличить его на .

Если затвор сделать из р⁺-Si, то получим. Остается добавить . Т.к. эта величина отрицательна, то под затвором необходимо выполнить подлегирование поверхности примесью n-типа (мелкими донорами) на глубину:

.

Необходимая доза подлегирования составляет:

,(1.7)

Средняя концентрация доноров в подзатворном слое:



(1.8)

Выводы:

Рассчитано пороговое напряжение МДП-транзистора и скорректировано с учетом технического задания. Доза подлегирования составила .

1.5 Расчет ВАХ в рамках идеализированной модели

В этом приближении действие подложки не учитывается, а толщина ОПЗ под затвором считается постоянной и равной .

ВАХ:(1.9)

Где ;

Для заданного режима ():

;

Данные для построения семейства идеальных ВАХ МДП-транзистора представлены в таблице 1.2, а само семейство изображено на рис. 1.3.



Таблица 1.2

Данные для построения рис. 1

	VGS = 2 B	VGS = 3 B	VGS = 4 B	VGS = 5 B
Vds = 0 B; Id, мА	0	0	0	0
Vds = 0.5 B; Id, мА	0,1171875	0,2734375	0,4296875	0,5859375
Vds = 1.0 B; Id, мА	0,15625	0,46875	0,78125	1,09375
Vds = 1.5 B; Id, мА	0,15625	0,5859375	1,0546875	1,5234375
Vds = 2.0 B; Id, мА	0,15625	0,625	1,25	1,875
Vds = 2.5 B; Id, мА	0,15625	0,625	1,3671875	2,1484375
Vds = 3.0 B; Id, мА	0,15625	0,625	1,40625	2,34375
Vds = 3.5 B; Id, мА	0,15625	0,625	1,40625	2,4609375
Vds = 4.0 B; Id, мА	0,15625	0,625	1,40625	2,5
Vds = 4.5 B; Id, мА	0,15625	0,625	1,40625	2,5

Рис. 1.3 - Семейство ВАХ МДП-транзистора в рамках идеальной модели: - ток стока; - напряжение сток-исток

Выводы:

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 I_DS 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 E_S = 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, V_BS = 0B; b - реальная модель, V_BS = 0B.

Выводы:

В результате расчета была вычислена реальная ВАХ транзистора в отсутствие напряжения подложка-исток V_BS =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

g_sV_gs - генератор тока;

g_bV_bs - генератор тока; генераторы моделируют ВАХ транзистора.

Сопротивления между внутренними и внешними узлами:

R_G - сопротивление затвора;

R_D - сопротивление стока;

R_S - сопротивление истока;

R_B - сопротивление подложки;

Емкости определяются режимом работы транзистора по постоянному току:

C_GD - диффузионная емкость перехода затвор-сток;

C_G - барьерная емкость затвора;

C_BD - диффузионная емкость перехода подложка-сток;

C_BS - диффузионная емкость перехода подложка-исток;

В данной схеме режим работы транзистора(постоянные составляющие напряжений V_gs, V_ds, V_bs и постоянная составляющая тока I_d) 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,

x_j - толщина n⁺ - областей,

-- контактная разность потенциалов n⁺-область -- p-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 I_DS 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 V_GS = 4В с учетом различных приближений: a-идеальная модель, V_BS =0B; b-реальная модель, V_BS =0B; c-реальная модель, V_BS =-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 КB,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 Allbest.ru