Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа

Главная

Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора

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.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.


Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
по предмету: «Твердотельная электроника»
Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора
1. Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора
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
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 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.
Толщина подзатворного диэлектрика (SiO 2 ), мкм
Концентрация примеси в подложке, см -3
Подвижность электронов в канале, см 2 /В•с
Плотность поверхностных состояний, см -2
Концентрация примеси в контактных n + - слоях, см -3
e = 1.62*10 -19 Кл - заряд электрона,
е 0 = 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*10 4 В/см - продольное электрическое поле в канале,
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,
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 ,
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 SiO 2 (рис. 1.0, б);
3. Удаляют слой Si 3 N 4 , затем ионным легированием бора создают слой с повышенной концентрацией акцепторов, который необходим для снижения порогового напряжения, далее формируют тонкий подзатворный слой SiO 2 (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 SiO 2 ;
7. С помощью фотолитографии в слое SiO 2  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. 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:
3. В пологой области ВАХ ток стока и крутизна ВАХ зависят только от напряжения затвор-исток:
4. Предельная частота транзистора определяется соотношением:
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.
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):
- ц GB - контактная разность потенциалов затвор - полупроводник,
- ц G , ц B - их потенциалы соответственно,
- Q SS -плотность поверхностного заряда на границе диэлектрик-полупроводник,
- Q SB 0 - поверхностная плотность заряда в канале,
- C S - удельная емкость диэлектрика.
На основе исходных данных рассчитываем компоненты для (1.1):
Контактная разность потенциалов затвор - подложка:
Термодинамическая работа выхода из полупроводника:
Выберем в качестве материала затвора n + - Si * .
Получаем контактную разность потенциалов затвор-подложка:
Эффективное значение поверхностной плотности заряда на границе диэлектрик - полупроводник:
Заряд, связанный с поверхностными состояниями на границе оксид-кремний:
Т.о., при заданных исходных данных обеспечивается пороговое напряжение:
Для обеспечения заданной величины порогового напряжения
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:
Средняя концентрация доноров в подзатворном слое:
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 .
Данные для построения семейства идеальных ВАХ МДП-транзистора представлены в таблице 1.2, а само семейство изображено на рис. 1.3.
Рис. 1.3 - Семейство ВАХ МДП-транзистора в рамках идеальной модели: - ток стока; - напряжение сток-исток
Вычислено и построено семейство ВАХ идеального транзистора при различных напряжениях затвор-исток .
1.6 Расчет ВАХ с учетом неоднородности ОПЗ под затвором:
Напряжение насыщения определяется соотношением:
Ток насыщения I DS определяется из выражения (1.10) при :
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
где E S = 15 кВ/см -- поле насыщения скорости электронов,
толщина ОПЗ под стоком на границе с пологой областью,
контактная разность потенциалов сток-подложка.
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.
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 b V bs - генератор тока; генераторы моделируют ВАХ транзистора.
Сопротивления между внутренними и внешними узлами:
Емкости определяются режимом работы транзистора по постоянному току:
C GD - диффузионная емкость перехода затвор-сток;
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).
С учетом эффекта короткого канала изменение порогового напряжения рассчитывается по формуле 1.16:
-- толщина ОПЗ под затвором, истоком и стоком,
-- контактная разность потенциалов n + -область -- p-подложка.
С учетом эффекта узкого канала изменение порогового напряжения рассчитывается по формуле (1.17):
С учетом эффектов короткого и узкого канала получим изменение порогового напряжения .
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
Ток насыщения I DS определяется из выражения (1.10) при :
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,
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.
Рассчитаем малосигнальные параметры эквивалентной схемы, показанной на рис. 1.6.
Собственный коэффициент усиления по напряжению:
Используя реальную ВАХ транзистора в отсутствие напряжения подложка-исток, провели расчет малосигнальных параметров эквивалентной схемы МДП-транзистора.
В данной главе произведен расчет параметров МДП-транзистора.
Сводка результатов представлена в таблице 1.3.
Топологический чертеж транзисторной структуры
Рассчитанное пороговое напряжение V t 0 , B
Коэффициент влияния подложки К B ,B 1/2
Собственный коэффициент усиления по напряжению К
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».
Особенности проектирования и расчета интегрального МОП-транзистора. Структура и граничная частота n-канального транзистора. Расчет порогового напряжения. Определение геометрических размеров канала. Характеристика параметров областей истока и стока. курсовая работа [206,7 K], добавлен 16.02.2016
Физико-топологическая модель как модель расчета электрических параметров. Расчет распределения концентрации акцепторной и донорной примеси, скорости диффузии, расчет остальных параметров биполярного транзистора. Определение напряжения лавинного пробоя. реферат [433,1 K], добавлен 12.06.2009
Рассмотрение синтеза структуры транзистора с использованием расчетных соотношений и параметров материалов, применяемых в производстве. Расчет кремниевых эпитаксиально-планарных транзисторов, их конструктивные и технико-эксплуатационные характеристики. курсовая работа [257,7 K], добавлен 21.09.2010
Расчет основных электрических параметров полевого транзистора (сопротивление полностью открытого канала, напряжение отсечки, ёмкость затвора). Определение передаточной характеристики, связанных с нею параметров (начальный ток стока, напряжение насыщения). реферат [574,2 K], добавлен 07.10.2011
Устройство полевого транзистора: схемы включения и параметры. Эквивалентная схема, частотные и шумовые свойства. Устойчивость полевого транзистора при работе в диапазоне температур (тепловые параметры). Вольт-амперные характеристики транзистора. реферат [174,3 K], добавлен 27.05.2012
Принцип роботи біполярного транзистора, його вхідна та вихідна характеристики. Динамічні характеристики транзистора на прикладі схеми залежності напруги живлення ЕЖ від режиму роботи транзистора. Динамічний режим роботи біполярного транзистора. лабораторная работа [263,7 K], добавлен 22.06.2011
Биполярные транзисторы, режимы работы, схемы включения. Инверсный активный режим, режим отсечки. Расчет h-параметров биполярного транзистора. Расчет стоко-затворных характеристик полевого транзистора. Определение параметров электронно-лучевой трубки. курсовая работа [274,4 K], добавлен 17.03.2015
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора курсовая работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Дипломная работа: Працевлаштування громадян України за кордон (Росія)
Реферат: Человек как биосоциальное существо
Курсовая работа по теме Модернизации открытого распределительного устройства 110 кВ ГПП-110/6/6 кВ 'Сибирь' ОАО 'Уралкалий'
Скачать Реферат Национальный Женский Костюм Индия
Забота О Родителях Сочинение
Дипломная работа по теме Управление продвижением парафармацевтической продукции на примере ООО 'Аптеки 'Семейные-2'
Механическая Энергия Реферат
Курсовая работа по теме Дноуглубительные работы и навигационное оборудование
Экология Практическая Работа 1
Контрольная Работа На Тему Формы Предприятия
Реферат: Место и роль Большой Восьмерки в мировой экономике
Курсовая работа по теме Коммерческая работа по формированию торгового ассортимента
Характеристика Деятельности Во Время Практике
Реферат Земельный Налог История Развития В России
Дипломная работа по теме Гендерные тенденции в современной публичной политике
Контрольная работа: Сегментація позичальників та прийняття рішення за допомогою карт Кохонена
Курсовая работа по теме Методические особенности социально-педагогической работы с больными с нарушением опорно-двигательного аппарата на примере ОГУСО РЦ 'Сосновая горка'
Задачи Hr Менеджера Реферат
Контрольная работа по теме Управление финансовыми потоками предприятия
Контрольная работа: Финансовая система Германии 5
Племінна структура суспільства епохи бронзи - История и исторические личности реферат
Участие Великобритании в формировании и деятельности Антанты - История и исторические личности контрольная работа
Экономический и политический аспекты истории Европы конца Средневековья и эпохи Нового времени - История и исторические личности реферат