close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовой проект ВИП часть1

код для вставкиСкачать
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет "МИЭТ"
Курсовая работа по предмету:
Вакуумная и плазменная электроника
Часть 1: Расчёт электрических характеристик кремниевого интегрального n- канального МДП-транзистора
Вариант № 8
Выполнила: ст.гр ЭКТ-46 Маринченко Татьяна Проверил: Козлов А.В. Дата: 29.10.2013
Москва 2013
Содержание
Часть 1. Расчёт электрических характеристик кремниевого интегрального n- канального МДП-транзистора
Введение...3
Задание...стр.4
Исходные данные...стр.5
Теоретические сведения...стр.6
Структура и топология МДП-транзистора...стр.12
Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора...стр13
Расчет ВАХ в рамках идеализированной модели...стр.13
Расчет ВАХ с учетом неоднородности ОПЗ под затвором...стр.14
Малосигнальная эквивалентная схема и её параметры...стр.17
Факультативные задания:
Расчет и корректировка порогового напряжения с учетом эффектов короткого и узкого канала...стр18
Расчет реальной ВАХ, зависящей от Vbs...стр.19
Расчет параметров эквивалентной схемы...стр.20
Заключение...стр.21
Используемая литература...стр.22
Введение
Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.
Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике - теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.
Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.
Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям. Основные материалы из которых изготовляют транзисторы - кремний и германий.
Задание
1. Нарисовать масштабный эскиз и топологию МДП-транзистора в
соответствии с заданием
2. Рассчитать пороговое напряжение МДП-транзистора при заданных исходных
данных и Vbs = 0.
3. Внести изменения в конструкцию транзистора, чтобы обеспечить пороговое
напряжение Vt =+1 В.
4. Рассчитать и построить выходные характеристики в приближении
идеализированной модели при VBS = 0 в диапазоне напряжений:
Vds =0-5 В;Vgs = 0 - 5 В (шаг 1 В)
5. Рассчитать выходную характеристику с учётом неоднородности ОПЗ под
затвором (реальная ВАХ) при Vds= 0-5 В, Vgs = 4 В,VBS = 0.
6. Построить выходные ВАХ транзистора в рамках идеальной и реальной
моделей при Vds =0-5 В, Vgs = 4 В,Vbs = 0.
7. Привести малосигнальную эквивалентную схему, объяснить смысл
элементов.
Факультативно
8. Провести расчет и корректировку Vt с учетом эффектов короткого
и узкого канала .
9. В дополнение к п.6 построить реальную выходную ВАХ для Vgs =4 В, Vbs= -2 В. На одном графике совместить следующие ВАХ:
- Идеальная ВАХ при Vds= 0-5 В, Vgs = 4 В,Vbs = 0
- Реальная ВАХ при Vds =0-5 В, Vgs = 4 В,Vbs = 0
- Реальная ВАХ при Vds= 0-5 В, Vgs = 4 В,VBbs= -2В
10. Рассчитать пара метры эквивалентной схемы.
11. Результаты расчетов оформить в виде презентации и доклада.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1. Материал затвора N+-Si*.
2. Длина канала, мкм L = 3.
3. Ширина канала, мкм W = 10 .
4. Толщина подзатворного диэлектрика (SiO2), мкм d = 0,1 мкм.
5. Концентрация примеси в подложке, см-3 = 2∙1015.
6. Подвижность электронов в канале, см2/В.с n = 500.
7. Плотность поверхностных состояний, см-2 =3∙1010 (Qss > 0).
8. Концентрация примеси в контактных п+- слоях, см-3 = 1020.
9. Толщина контактных п+-слоев, мкм 0.3
ОБЩИЕ ДАННЫЕ e = 1.62*10-19 Кл - заряд электрона, ε0 = 8.85*10-14 Ф/ см диэлектрическая проницаемость вакуума , ε = 11.9 - относительная проницаемость Si, εd = 3.4 - относительная проницаемость диэлектрика, Еs = 1.5*104 В/см - продольное электрическое поле в канале , Vt = 1 В - пороговое напряжение.
Теоретические сведения.
Устройство и принцип действия
Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.
МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов - МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 ... 1014Ом).
Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов - со встроенным и с индуцированным каналом.
Рассмотрим особенности МДП - транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 1, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности - n. На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.
Рис. 1 Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом n- типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)
При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда - электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.
При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.
В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси  0), протекает ток стока Iс нач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.
Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n- типа показана на рис. 2, а
Рис. 2 Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n-типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)
Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа и на одном из р-n- переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.
Условное обозначения МДП - транзисторов приведены на рис. 3.
Рис. 3 - Условное обозначение МДП - транзисторов:
а - со встроенным каналом n- типа;
б - со встроенным каналом р- типа;
в - с выводом от подложки;
г - с индуцированным каналом n- типа;
д - с индуцированным каналом р- типа;
е - с выводом от подложки
Статические характеристики МДП - транзисторов
Стоковые (выходное) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n- типа Ic = f(Uси) показаны на рис. 5.4, б.
При Uзи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения Uзи  0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны - носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при Uзи  0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0.
При подаче на затвор напряжения Uзи  0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины (подложки) р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи  0 располагаются выше исходной кривой при Uзи = 0.
Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом n-типа Ic = f(Uзи) приведена на рис. 1, б.
Стоковые (выходные) характеристики Ic=f(Uси) и стоко-затворная характеристика Ic = f(Uзи) полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 2, б; в.
Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic = 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.
Основные параметры МДП - транзисторов
Параметры МДП - транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р-n- переходом. Что касается входного сопротивления то МДП - транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р-n- переходом. Входное сопротивление у них составляет rвх = 1012 ... 1014 Ом.
Структура и топология МДП-транзистора
Рис. 4 Структура исследуемого МДП-транзистора
Рис. 5 Масштабная топология прибора[1]
Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора
При :
, где . . .
Выберем в качестве материала затвора n+ - Si*. Тогда , и = -1,12/2 - 0,317 = - 0,877 В. ; см. Кл/см2 .
= 1,610-19∙3∙1010 = 0,4810-8 Кл/см2.
; Ф/см;Ф/см2
- 0,877 + 2∙0,317 - B.
Для обеспечения заданной величины порогового напряжения +1В необходимо увеличить его на +1 - 0,297 = 0,703 В. Подлегируем поверхность мелкими акцепторами на глубину мкм << = 1 мкм.[2]
. Необходимая доза подлегирования составляет
см-2, а средняя концентрация акцепторов в подзатворном слое:
см-3.
Расчет ВАХ в рамках идеализированной модели
В этом приближении действие подложки не учитывается, а толщина ОПЗ под затвором считается постоянной и равной . ВАХ:
где;
А/В2 = 50 мкА/В2. Для заданного режима ( 4 В):
4 - 1 = 3 В; 50(4 - 1)2 / 2 = 225 мкА.
Рис. 6 Семейство ВАХ МДП-транзистора в рамках идеальной модели
Расчет ВАХ с учетом неоднородности ОПЗ под затвором
Для крутой области ВАХ при :
, Где коэффициент влияния подложки = 0,87 В1/2. Расчет проведем для , В.
Напряжение насыщения определяется соотношением :
, где при :
= 1,414. Для , В:
= 4 - 1 - 1,414∙0,7583∙[] = 2,22 В.
Ток насыщения Ids определяется как ток ID при Vds=Vdss:
== 0,161мА.
Пологая область
Для пологой области расчет ВАХ проводится следующим образом (рисунок 7) - Рассчитывается эффективная длина канала с учетом насыщения дрейфовой скорости носителей в канале и модуляции длины канала - Рассчитывается ток стока с учетом предыдущего пункта при Uds=4В - Пологая область ВАХ строится как линия, проходящая через точки (Udss, Ids) - (4, Id(4)). [4]
Рис. 7 Методика построения ВАХ реального транзистора в пологой области
Вычислим при В.
. Эффективная длина канала:
, где ES = 15 кВ/см - поле насыщения скорости электронов,
- толщина ОПЗ под стоком на границе с пологой областью,
=1,12 / 2 + 0,317 = 0,877 В. - контактная разность потенциалов сток-подложка.
1,46 мкм.
=2,09 мкм.
Ток стока при В:
213,74 мкА.
Рис. 8 ВАХ идеального и реального транзистора (Vds=4В)
Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры
Малосигнальные эквивалентные схемы применяются для малых переменных составляющих токов и напряжений. Транзистор работает в пологой области ВАХ. Эквивалентная получается путем линеаризации элементов нелинейной схемы и исключения постоянных токов. Все емкости являются константами, величина которых определяется режимом работы транзистора по постоянному току. Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора показана на рисунке 9.
Рис. 9 Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора.
Параметры эквивалентной схемы[4]:
G - вывод затвора S - вывод истока B - вывод подложки D - вывод стока - сопротивление затвора
- сопротивление истока
- сопротивление подожки
- сопротивление сока
- барьерная емкость затвор-сток
- барьерная емкость затвор-исток
- барьерная емкость подложка-сток
- барьерная емкость подложка-исток
;
- крутизна;
- выходное сопротивление
крутизна по подложке
Факультативное задание: Расчёт и корректировка порогового напряжения с учётом эффектов короткого и узкого канала
С учетом эффекта короткого канала изменение порогового напряжения рассчитывается по формуле[2]:
〖∆V〗_T=-(〖eN〗_B l_T)/(2LC_s )(√((x_j+l_s )^2-l_T^2 )+√(〖(x_j+l_D)〗^2-l_T^2 )-2x_j), где
l_T=√((2εε_0 (2φ_B-V_bs))/(eN_B ))
l_s=√((2εε_0 (φ_c-V_bs))/(eN_B ))
l_D=√((2εε_0 (φ_c-V_bs+V_ds))/(eN_B ))
толщина ОПЗ под затвором, истоком и стоком, x_j - толщина n^+- областей,
φ_c=φ_T ln⁡〖(N_B N^+)/(n_i^2 )〗 - контактная разность потенциалов n+ - область - р - подложка.
Считаем случай, когда V_bs=0 В, V_ds=4 В.
φ_c=0.026 ln⁡〖(2∙〖10〗^15∙〖10〗^20)/〖10〗^20 =0,916 B.〗
l_T=√((2∙1.1∙〖10〗^(-12) (2∙0,317-0))/(1,6∙〖10〗^(-19)∙2∙〖10〗^15 ))=0,66 мкм
l_s=√((2∙1.1∙〖10〗^(-12) (0,916-0))/(1,6∙〖10〗^(-19)∙2∙〖10〗^15 ))=0,79 мкм
l_D=√((2∙1.1∙〖10〗^(-12) (0,916-0+4))/(1,6∙〖10〗^(-19)∙2∙〖10〗^15 ))=1,84 мкм
〖∆V〗_T==-(1,6∙〖10〗^(-19)∙2∙〖10〗^15∙0,66∙〖10〗^(-4))/(2∙3∙〖10〗^(-4)∙3∙〖10〗^(-8) ) (√((0,3∙〖10〗^(-4)+0,79〖∙10〗^(-4) )^2-〖0,66〗^2∙〖10〗^(-8) )+√((0,3∙〖10〗^(-4)+1,84 ∙〖10〗^(-4) )^2-〖0,66〗^2∙〖10〗^(-8) )-2∙0,3∙〖10〗^(-4) )=-0,23 В.
С учетом эффекта узкого канала изменение порогового напряжения рассчитывается по формуле:
〖∆V〗_T=±πεd/(ε_d W)(〖2∙φ〗_B+V_bs)
〖∆V〗_T=(3,14∙11,9∙10∙〖10〗^(-6))/(3,4∙10∙〖10〗^(-4) ) (2∙0,317+0)=0,07 В.
Факультативное задание: Расчёт реальной ВАХ, зависящей от V_bs
Расчет реальной ВАХ при V_bs=-2В проводится аналогично разделу 5. Результаты расчета выходной ВАХ рассматриваемого МДП-транзистора при Ugs=4B, Uds=0-5В, Ubs=-2 [3], в рамках модели вместе с данными рисунка 8 показаны на рисунке 10.
Рис. 10 ВАХ транзистора, рассчитанные при Ugs=4В с учетом различных приближений:
- идеальная модель, Ubs=0 - реальная модель, Ubs=0B - реальная модель, Ubs=-2B Факультативное задание: Расчёт параметров эквивалентной схемы
Рассчитаем малосигнальные параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке рис. 9:
Крутизна ВАХ: g=(∂I_D)/〖∂V〗_gs =(0,1∙〖10〗^(-3))/1=0,1 мА/В
Крутизна ВАХ по подложке:
g^'=(∂I_D)/〖∂V〗_bs (V_ds,V_gs=const)=(0,02∙〖10〗^(-3))/2=0,01 мА/В
Выходная проводимость:
G=(∂I_D)/〖∂V〗_ds =(0,025∙〖10〗^(-3))/1=0,025∙〖10〗^(-3) мА/В
Собственный коэффициент усиления по напряжению:
K=(∂V_ds)/〖∂V〗_gs |dID=0= g/G=4
Заключение
Во время выполнения работы мы изучили виды МДП-транзисторов, а так же принципы их работы, структуру и ВАХ в разных моделях. Затем, с помощью примера рассчитали параметры кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно изменять подлегированием примеси разных типов. 0,297, после подлегирования акцепторов . В идеальной модели транзистора β=50 мкА/В^2 , при 4В, 3В, . Наклон пологой области ВАХ в реальной модели вызван неоднородностью толщины ОПЗ. В реальной модели 2,22В, . Так же, как видно из факультативного задания, на ВАХ влияет напряжение на подложке и эффекты короткого и узкого канала. С учетом узкого канала 〖∆V〗_T=0,07В. Транзистор можно заменить эквивалентной схемой, параметры которой так же были рассчитаны в работе: g=0,1 мА/В, G=0,025∙〖10〗^(-3) мА/В, g^'=0,01 мА/В, K=4.
Используемая литература
1. Баринов В.В., Онацко В., Шишина Л.Ю. Основы топологического проектирования ИМС. - под ред. В.Онацко. М.: МИЭТ, 1994.
2. Старосельский В.И. Физика МДП транзисторов. М.: МИЭТ, 1993.
3. Старосельский В.И. Физика р-n переходов и полупроводниковых диодов. М.: МИЭТ, 1993.
4. Парменов Ю. А. Лекции по дисциплине ВиП. МИЭТ, 2013.
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
86
Размер файла
732 Кб
Теги
проект, вип, курсовой, часть
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа