Большая База Данных Рефератов - Расчет и проектирование МДП-транзистора

Расчет и проектирование МДП-транзистора

. Токи через р-n-переходы истока, стока и подзатворный диэлектрик равны нулю.

2. Подвижность электронов мn постоянна по глубине и длине L инверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе VGS и на стоке VDS.

3. Канал плавный, то есть в области канала нормальная составляющая электрического поля Ez существенно больше тангенциальной Еу [15].

Рисунок 1.8 - Схема МДП-транзистора для расчета токов в области плавного канала и зонная диаграмма в равновесных условиях

Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке р-типа, обусловлен свободными электронами, концентрация которых n(z). Электрическое поле Еу обусловлено напряжением между истоком и стоком VDS. Согласно закону Ома, плотность тока [5].:

(1.2)

где q - заряд электрона, мn - подвижность электронов в канале, V- падение напряжения от истока до точки канала с координатами (x, y, z).

Проинтегрируем (1.2) по ширине x и глубине z канала. Тогда интеграл в левой части (1.2) дает нам полный ток канала IDS, а для правой части получим:

(1.3)

Величина есть полный заряд электронов в канале на единицу площади:

Тогда:

(1.4)

Найдем величину заряда электронов Qn. Для этого запишем уравнение электронейтральности для зарядов в МДП-транзисторе на единицу площади в виде [3]:

Qm= Qox + Qn+ QB. (1.5)

Согласно (1.5), заряд на металлическом электроде Qm уравновешивается суммой зарядов свободных электронов Qn и ионизованных акцепторов QB в полупроводнике и встроенного заряда в окисле Qox. [10].

Рисунок 1.9 - Расположение зарядов в МДП-транзисторе.

На рис. 1.9 приведена схема расположения этих зарядов. Из определения геометрической емкости окисла Сox следует, что полный заряд на металлической обкладке МДП-конденсатора Qm равен:

Qm=Cox·Vox, (1.6)

где Vox - падение напряжения на окисном слое, Сox - удельная емкость подзатворного диэлектрика.

Поскольку падение напряжения в окисле равно Vox, в полупроводнике равно поверхностному потенциалу шs, а полное приложенное к затвору напряжение VGS, то:

VGS-Дцms= Vox + шs= Vox + шs0+ V(y), (1.7)

где Дцms - разность работ выхода металл - полупроводник, шs0 - величина поверхностного потенциала в равновесных условиях, т. е. при напряжении стока VDS = 0.

Из (1.5) - (1.7) следует:

Qn=Qm- Qox-QB= Cox[VGS-Дцms-шs0 + V(y)] - Qox- QB (1.8)

Поскольку в области сильной инверсии при значительном изменении напряжения на затворе VGS величина поверхностного потенциала меняется слабо, будем в дальнейшем считать ее постоянной и равной потенциалу начала области сильной инверсии шs0 = 2ц0. Поэтому будем также считать, что заряд акцепторов QB не зависит от поверхностного потенциала. Введем пороговое напряжение VТ как напряжение на затворе VGS, соответствующее открытию канала в равновесных условиях: Vt?Vgs(шs = 2ц0, VDS = 0).

При этом Qn(VDS = 0) = 0.

Из (1.8) следует, что [5]:

(1.9)

Тогда с учетом (6.8):

Qn=C[VGS-VT -V(y)]. (1.10)

Подставляя (1.10) в (1.4), разделяя переменные и проведя интегрирование вдоль канала при изменении y от 0 до L, а V(y) от 0 до VDS, получаем:

(1.11)

Уравнение (1.11) описывает вольт-амперную характеристику полевого транзистора в области плавного канала.

1.6 Характеристики МДП-транзистора в области отсечки

Как следует из уравнения (1.10), по мере роста напряжения исток-сток VDS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т. е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию:

V(y) = Vos-VT?V*DS (1.12)

Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то смыкание канала, или отсечка, первоначально произойдет у стока. Напряжение стока VDS, необходимое для смыкания канала, называется напряжением отсечки V*DS. Величина напряжения отсечки определяется соотношением (1.12). На рис. 1.10 показан канал, отсеченный у стока [5].

Рисунок 1.10 - Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, равном напряжению отсечки

С ростом напряжения стока VDS точка канала, соответствующая условию отсечки (1.12), сдвигается от стока к истоку. В первом приближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки падает одинаковое напряжение V*DS= VGS- VT, не зависящее от напряжения исток-сток. Эффективная длина плавного канала L от истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L и обычно ДL = L-L«L. Это обуславливает в области отсечки в первом приближении ток стока IDS, не зависящий от напряжения стока VDS. На рис. 1.11 показана схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, большем напряжения отсечки. Из этого же рисунка видно, как точка отсечки смещается от стока по мере роста напряжения на стоке.

Рисунок 1.11 - Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, большем напряжения отсечки

Подставив значение напряжения отсечки V*DS из (1.12) в (1.11) вместо значения напряжения стока VDS, получаем для области отсечки выражение для тока стока:

(1.13)

Соотношение (1.13) представляет собой запись вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в области отсечки. Зависимости тока стока IDS от напряжения на затворе VGS называются обычно переходными характеристиками, а зависимости тока стока IDS от напряжения на стоке VDS - проходными характеристиками транзистора. На рис. 1.12 приведены зависимости тока стока IDS от напряжения на стоке VDS для МДП-транзистора при различных напряжениях на затворе, рассчитанные по соотношениям (1.11) и (1.13) [6].

Рисунок 1.12 - Зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке VDS для МДП ПТ при различных напряжениях на затворе. Пороговое напряжение VT = 0,1 В. Сплошная линия - расчет по (1.11) и (1.13). Пунктир - расчет по (1.17) с учетом модуляции длины канала

При значительных величинах напряжения исток-сток и относительно коротких каналах (L = 10ч20 мкм) в области отсечки наблюдается эффект модуляции длины канала. При этом точка отсечки смещается к истоку и напряжение отсечки V*DS падает на меньшую длину L? канала. Это вызовет увеличение тока IDS канала. Величина напряжения Д V, падающая на участке ДL от стока отсечки, будет равна:

?V(?L) = VDS-V*DS =VDS-(VGS-VT). (1.14)

На рис. 1.12 этот эффект модуляции длины канала наглядно виден.

Поскольку напряжение ДV падает на обратносмещенном p-n+-переходе, его ширина ДL будет равна:

(1.15)

Ток канала равен IDS0, когда напряжение исток-сток VDV=V*DS = VGS -VT равно напряжению отсечки и величина ДL = 0. Обозначим IDS ток стока при большем напряжении стока: VDS > V*DS .

Тогда:

I0DS .L = IDS-(L-?L). (1.16)

Таким образом, ВAX МДП-транзистора с учетом модуляции длины канала примет следующий вид:

(1.17)

Эффект модуляции длины канала оказывает большое влияние на проходные характеристики МДП-транзистора с предельно малыми геометрическими размерами, поскольку в этом случае величина ДL сравнима с длиной канала L. На рис. 1.12 пунктиром показаны зависимости тока стока от напряжения на стоке в области отсечки с учетом модуляции длины канала [10].

Рисунок 1.13 - Зависимости:

1 - тока стока IDS от напряжения на затворе VG в области отсеченного канала;

2 - корня из тока стока от напряжения на затворе в области отсечки

Отметим, что эффект модуляции длины канала для полевых транзисторов по физической природе аналогичен эффекту модуляции ширины базы (эффект Эрли) для биполярных транзисторов. На вольт-амперных характеристиках транзисторов этот эффект также проявляется аналогично - в зависимости выходного тока от выходного напряжения.

Как видно из уравнения (1.13), в области отсечки ток стока IDS квадратично зависит от приложенного к затвору транзистора напряжения VG. На рис. 1.13 показана эта зависимость (кривая 1) и эта же зависимость, построенная в координатах от напряжения VG (кривая 2). На практике экстраполяция прямолинейного участка этой зависимости определяет значение порогового напряжения [8].

1.7 Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов

Вид вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в значительной мере зависит от типа полупроводниковой подложки и типа инверсионного канала. В том случае, если при нулевом напряжении на затворе VG = 0 инверсионный канал отсутствует, а по мере увеличения напряжения на затворе VG > VT появляется, такой инверсионный канал называют индуцированным. Если же при нулевом напряжении на затворе VG = 0 инверсионный канал уже сформирован, такой инверсионный канал называют встроенным. МДП-транзисторы с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе всегда закрыты, а МДП-транзисторы со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе всегда открыты.

Зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке VDS при различных на-пряжених на затворе VG называют проходными характеристиками МДП-транзистора, а зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG при различных напряжениях на стоке VDS называют переходными характеристиками МДП-транзистора. В том случае если напряжение на стоке VDS больше, чем напряжение отсечки V*DS , на переходных характеристиках ток стока IDS от напряжения на стоке VDS не зависит.

На рис. 1.14 приведены вольт-амперные характеристики (проходные и переходные) n-канальных и p-канальных МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами. Здесь же указаны схемотехнические обозначения разных видов МДП-транзисторов. Из анализа этих вольт-амперных характеристик можно еще раз получить представление о знаках напряжений, подаваемых на затвор и сток МДП-транзисторов в активном режиме [9].

Рисунок 1.14 - Вольт-амперные характеристики n-канальных и p-канальных МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами.

1.8 Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора

Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 1.15. Здесь Rвх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость СBX - емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор - исток. Паразитная емкость Спар обусловлена емкостью перекрытий затвор - сток. Выходное сопротивление Rвых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость Свых определяется емкостью р-n-перехода стока. Генератор тока i1 передает эффект усиления в МДП-транзисторе [3].

Рисунок 1.15 - Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора

Определим быстродействие МДП-транзистора исходя из следующих соображений. Пусть на затвор МДП-транзистора, работающего в области отсечки, так что Vgs = Vds = Vпит, подано малое переменное напряжение u = u0sin(щt).

Тогда за счет усиления в стоковой цепи потечет ток i1, равный:

=S·u (1.18)

Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитный ток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:

= й2рfCOXWL (1.19)

С ростом частоты выходного сигнала f паразитный ток будет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления. Определим граничную частоту работы МДП-транзистора f =fмакс, когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):

(1.20)

Поскольку напряжение исток-сток VDS порядка напряжения VGS - VT, то, используя определение дрейфовой скорости

(1.21)

можно видеть, что предельная частота усиления fмакс определяется временем пролета ф электронов через канал транзистора:

(1.22)

Оценим быстродействие транзистора.

Пусть величина подвижности мn = 500 см2/(В·с),длина канала L = 10 мкм = 10-3 см, напряжение питания Vпит = 10 В. Подставляя эти значения в (1.20), получаем, что максимальная частота для МДП-транзистора составляет величину порядка fмакс ? 1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратно пропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.

2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

2.1 Основные сведения об арсениде галлия

Арсенимд гамллия (GaAs) -- химическое соединение галлия и мышьяка. Важный полупроводник, третий по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Используется для создания высокочастотных интегральных схем, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов и транзисторов.

Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью, позволяющей работать на частотах 250 ГГц.

Также приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые устройства на той же операционной частоте. Из-за более высокого напряжения пробоя в GaAs чем в Si эти приборы могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAs широко применяемым в мобильных телефонах, твердотельных лазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обуславливает его использование при наличии радиационного излучения (например, в солнечных батареях в космической технике).

GaAs -- прямозонный полупроводник, что также является его преимуществом. GaAs может быть использован в оптических приборах: светоизлучающих диодах, твердотельных лазерах.

Сложные слоистые структуры арсенида галлия в комбинации с арсенидом алюминия (AlAs) или тройными растворами AlxGa1-xAs можно вырастить с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Из-за практически полного согласования постоянных решёток слои имеют малые напряжения и могут выращиваться произвольной толщины.

Основны свойства и параметры полупроводника представлены в таб. 2.1.

Таблица 2.1 - Основны параметры GaAs

Свойства
Общие
Название	арсенид галлия
Химическая формула	GaAs
Внешний вид	Тёмно-серые кубические кристаллы
Структура
Атомный вес	144,64 ат. ед.
Постоянная решётки	0,56533 нм
Кристаллическая структура	цинковой обманки
Физические
Агрегатное состояние при н. у.	твёрдое
Точка плавления при н. у.	1513 K
Электронные
Ширина запрещённой зоны при 300 K	1.424 эВ
Электроны, эффективная масса	0.067 me
Лёгкие дырки, эффективная масса	0.082 me
Тяжёлые дырки, эффективная масса	0.45 me
Подвижность электронов при 300 K	9200 смІ/(В·с)
Подвижность дырок при 300 K	400 смІ/(В·с)

По физическим характеристикам арсенид галлия более хрупкий материал, чем кремний. Кроме того подложки из арсенида галлия гораздо сложнее для изготовления и дороже, что ограничивает применение материала.

Токсические свойства арсенида галлия не были детально исследованы, но это вещество токсично и канцерогенно [9].

2.2 Основные параметры МДП-транзистора

Сox -- удельная емкость подзатворного диэлектрика

IсID -- ток стока

IзIG -- ток затвора

IDS -- ток канала исток-сток

R0 -- омическое сопротивление

Ri -- внутреннее сопротивление

S -- крутизна характеристики

Uзи UGS -- напряжение затвор-исток

Uси UDS -- напряжение исток-сток

Uзс UDG -- напряжение сток-затвор

UЗИ пор Uпор UGS(th) VT -- пороговое напряжение

UЗИ отс Uотс UGS(off) -- напряжение отсечки

Vox -- падение напряжения на окисном слое

VТ -- пороговое напряжение

VSS -- напряжение, приложенное к подложке

м -- коэффициент усиления

2.3 Расчет параметров МДП-транзистора

Исходные данные для расчетов:

- ширина п/п структуры Zк=1500·10-4 см;

- длина канала Lk=6·10 -4 см;

- толщина оксидного слоя (изолятора затвора) d=0,16·10-4 см ;

- концентрация акцепторов в подложке Na=6·1015 см -3 ;

- поверхностная плотность зарядов Nпов=1,2·1011 см -2;

- толщина истока hист=4·10-4 см;

- длина истока lист=7·10-4 см;

- толщина стока hcток=4·10-4 см;

- длина стока lсток=7·10-4 см;

- тепловое сопротивление корпуса Rt= 40 К/Вт .

Рассчитаем напряжение смыкания, В:

(2.1)

где q - заряд электрона, а f = 0,38 В - потенциал уровня Ферми.

Найдем удельную емкость «затвор-канала», Ф:

(2.2)

где = 4 - диэлектрическая проницаемость диоксида кремния.

Ширина обедненного слоя в канале при Uзи =0 находится по формуле:

(2.3)

Плотность заряда нескомпенсированных ионизированных атомов примеси в подложке, Кл/см2:

(2.4)

Плотность заряда на границе диэлектрик-полупроводник, Кл/см2:

(2.5)

Крутизна, А/В:

(2.6)

где =0,15 м2•В-1•с-1-- подвижность электронов в канале.

Пороговое напряжение транзистора, В:

(2.7)

Коэффициент К:

(2.8)

Паразитные емкости затвора, Ф:

(2.9)

где Sз=Zk·Lk -- площадь затвора.

Сопротивление стока и истока, Ом:

(2.10)

где -- удельное сопротивление канала.

На рисунке 2.1 построено семейство передаточных характеристик транзистора для значений напряжения между стоком и истоком 1, 2, 4 В.

Рисунок 2.1 - Стоко-затворная характеристика полевого транзистора.

Семейство стоковых (выходных) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом строим путём совмещения двух областей его ВАХ - триодной и области насыщения.

Рисунок 2.2 - Семействo выходных вольт-амперных характеристик полевого транзистора

ВЫВОДЫ

В ходе данной курсовой работе:

были рассмотрены свойства МДП-структури, а также типы и устройство полевых транзисторов;

рассмотрены характеристики МДП-транзистора;

определено влияние типа канала на вольт-амперные характеристики прибора;

рассмотрены основны свойства и параметры полупроводника арсенида галлия;

рассчитаны параметры и характеристики МДП-транзистора.

В результате расчетов параметров и характеристик полупроводниковых приборов были получены результаты, не противоречащие справочным данным.

Так же были получены значения основных параметров: пороговое напряжение , напряжение смыкания , сопротивление стока и истока rи=rс=42,07 Ом. В результате построений характеристик МДП-транзистора были получены типичные вольтамперные характеристики транзистора МДП-типа с индуцированным каналом n-типа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ніконова З.А., Небеснюк О.Ю. Твердотіла електроніка. Конспект лекцій для студентів напрямку «Електроніка» ЗДІА/ Запоріжжя: Видавництво ЗДІА, 2002. - 99с.

2. Твердотіла електроніка. Навчальний посібник до курсового проекту для студентів ЗДІА спеціальності «Фізична та біомедична електроніка» денної та заочної форм навчання /Укл: З.А. Ніконова, О.Ю. Небеснюк,, М.О. Літвіненко, Г.А. Слюсаревська. Запоріжжя, 2005. - 40с.

3. Батушев В. А. Электронные приборы. - М. , “Высшая школа” 1980..

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника - М.: Высшая школа, 1991г. - 617с.

5. Гуртов В. А. Твердотельная электроника: Учеб. пособие // В. А. Гуртов; ПетрГУ. - Петрозаводск, 2004. - 312 с.

6. Городецкий Л. Ф. Полупроводниковые приборы // Л. Ф. Городецкий,А. Ф. Кравченко, М.: Высшая школа, 1967, - 348 с.

7. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники М.: Сов. радио, 1971 г. - 376 с.

8. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. М.: Высшая школа, 1987г. - 326 с.

9. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1983г. - 384 с.

10. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1989г. - 352 с.

11. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 368 с.

12. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под ред. Н. Н. Горюнова - М.: Энергоатомиздат, 1985г. - 204 с.

13. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987г. - 479 c.

14. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Сов. радио, 1980г. - 424 с.

15. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1990г. - 376 с.

16. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. М., “Советское радио”, 1970г. - 392 с.

17. Электроника: Энциклопедический словарь.//Гл. ред. В. Г. Колесников. М.: Советская энциклопедия, 1991. - 688 с.

Страницы: 1, 2

Меню

Расчет и проектирование МДП-транзистора