Расчет параметров кремниевого интегрального МДП-транзистора

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
МИЭТ 
Кафедра ИЭМС 

 

 

  

 

 

  

 

Курсовая работа

по предмету «Твердотельная электроника»

Расчет параметров кремниевого интегрального МДП-транзистора

Часть 1

Вариант 6 

 

 

  

 

 

 

Выполнил 
студент ЭКТ-45 
Григорьев      Петр

Проверил    Красюков А.Ю. 

 

 

  

 

 

 НИУ МИЭТ 2014

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………………….…………3

§ 1. Теоретические сведения………………………………………………………..…………..3

§2. Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора

§ 2.1. Исходные данные. Задание ……………………………………………………………..8

§2.2.1. Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора………..…..10

§2.2.2. Расчет ВАХ в рамках идеализированной модели………………………………...11

§2.2.3. Расчет ВАХ с учетом неоднородности ОПЗ под затвором…………………..12

§2.3. Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры………………………….15

§2.4.1. Факультативное задание: расчет и корректировка порогового напряжения с учетом эффектов короткого и узкого канала…………………………………………..16

§2.4.2. Факультативное задание: расчет реальной ВАХ, зависящей от .………17

§2.4.3. Факультативное задание: расчет параметров эквивалентной схемы……..19

§3.1. Структура и топология МДП-транзистора……………………………………….20

§3.2. Краткий технологический маршрут изготовления МДП-структур………….21

Выводы главы…………………………………………………………………………………….23

 

 

 

Введение

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) – электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) вывода, предназначенный для генерирования и преобразования электрических колебаний. Изобретён в 1948 У. Шокли, У.Браттейном и Дж. Бардином (Нобелевская премия, 1956). На основе транзисторов и их применений выросла широкая отрасль промышленности – полупроводниковая электроника. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов – интегральных схем.

Транзисторы делятся на два больших класса – униполярные (полевые или МДП-транзисторы) и биполярные. И в полевых, и в биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor).

Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми. [1]

 

§ 1. Теоретические сведения

 

В первой части курсового проекта рассчитываются параметры МДП-транзистора, поэтому остановлюсь подробнее на информации о полевых транзисторах.

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим p-n-переходом, или переходом «металл — полупроводник» (барьер Шоттки), вторую —транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП («металл — диэлектрик — полупроводник»).

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n-переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n-переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. [1] Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n-переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электроды полевого транзистора называются следующим образом:

• исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
• сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
• затвор (англ. gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Проводимость канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярность напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны. [2]

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n-переходе затвора (или на двух p-n-переходах одновременно). В связи с незначительностью обратных токов p-n-перехода мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств. [3]

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор). В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком. В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности. [2]

Рис. 1.1 – виды полевых транзисторов и их обозначения на принципиальных схемах

Схемы включения МДП-транзистора

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ). Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с общей базой (ОБ). Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Рис. 1.2 – схемы включения МДП-транзистора с ОИ (а), ОЗ (б) и ОС (в)

Режимы работы полевых транзисторов

Динамическим режимом работы называют такой режим, в котором к транзистору, который усиливает входной сигнал, подключена нагрузка. Такой нагрузкой может служить резистор Rс, подсоединённый последовательно со стоком полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком.

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю. На практике, естественно, когда транзистор открыт, присутствует некоторое небольшое сопротивление сток-исток. Когда транзистор закрыт, по выводам сток-исток протекает ток небольшой величины. Таким образом, мощность потерь в транзисторе в статическом режиме мала. Однако в динамическом режиме, когда транзистор открывается или закрывается, его рабочая точка форсирует линейную область, в которой ток через транзистор может условно составлять половину максимального тока стока, а напряжение сток-исток может достигать половины от максимальной величины. Таким образом, в динамическом режиме в транзисторе выделяется огромная мощность потерь, которая свела бы на нет все замечательные качества ключевого режима, но к счастью длительность нахождения транзистора в динамическом режиме много меньше длительности пребывания в статическом режиме. В результате этого КПД реального транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме, может быть очень высок и составлять до 93% – 98%.

Работающие в ключевом режиме транзисторы широко применяют в силовых преобразовательных установках, импульсных источниках электропитания, в выходных каскадах некоторых передатчиков и пр. [3]

В связи с современными тенденциями необходимо знать и уметь рассчитывать параметры транзисторов. Актуальность данного вопроса крайне велика, так как область интегрально кремниевой микроэлектроники развивается быстрыми темпами.

 

 

§2. Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора

§ 2.1. Исходные данные. Задание.

Исходные данные

1	Вариант	6
2	Материал затвора	Si*
3	Длина канала L, мкм	2
4	Ширина канала W, мкм	60
5	Толщина подзатворного диэлектрика d, мкм	0,1
6	Концентрация примеси в подложке NB, см-3	6∙1015
7	Подвижность электронов в канале mn, см2/В∙с	500
8	Плотность поверхностных состояний Nss (Qss > 0), см-2	7∙1010
9	Концентрация примеси в контактных n+-слоях N +, см-3	1020
10	Толщина контактных п+-слоев xj, мкм	0.6