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