Sb000528

УДК 621.382.323.001.57(07) ББК З 973.23 – 018.2я7

П27

Перепеловский В. В., Михайлов Н. И., Филатов Д. Н.

П27 Моделирование элементов микроэлектроники в среде LabView. Лабораторный практикум: электронное учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ

«ЛЭТИ», 2014. 30с.

ISBN 978-5-7629-1162-7

Изложены основные сведения, необходимые для развития у студентов навыков выполнения лабораторных работ с применением виртуальных приборов и инструментов аппаратно-програмного комплекса LabVIEW

Комплекс LabVIEW предоставляет широкие возможности построения математических моделей, создания виртуальных приборов, а также осуществлять функции обработки результатов измерений. Это позволяет более глубоко изучать теоретический материал и выработать практические навыки измерения основных характеристик приборов микроэлектроники.

Лабораторный практикум является необходимыми и полезными для студентов изучающих как физические основы электроники, так и основы моделирования с применением виртуальных приборов на основе средств комплекса LabVIEW.

Предназначен для студентов ФЭЛ, обучающихся по направлению «Электроника и микроэлектроника» и изучающих дисциплины «LabView технология» и «Микро- и наноэлектроника».

УДК 621.382.323.001.57(07) ББК З 973.23 – 018.2я7

Рецензенты: кафедра приборостроения и наноэлектроники Сибирского федерального университета; проф. В. Д. Байков.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

Лабораторная работа № 1

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С ЗАТВОРОМ ШОТКИ 1.1. Цель работы

Приобретение практических навыков качественного анализа основных функциональных зависимостей, описывающих физические процессы, протекающие в полевом транзисторе с затвором Шотки.

1.2. Основные положения

1.2.1. Модель ПТШ

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор с тремя выводами: истоком, затвором и стоком. Ток, протекающий по проводящему каналу между затвором и истоком, управляется напряжением на затворе. Рассматриваемые полевые транзисторы с затвором в виде барьера Шотки (ПТШ) являются униполярными приборами. Перенос заряда осуществляется электронами (в n-канальных приборах) или дырками

(в p-канальных приборах). Поперечное сечение ПТШ показано на рис. 1.1, где S – исток, G – затвор, D – сток, L – длина канала, А – толщина структуры, h – глубина канала, W – глубина обедненной области.

Анализ работы длинноканального (L>>А) ПТШ проводим при следующих приближениях: приближения плавного канала; приближение резкого края обедненной области; независимости подвижности носителей; однородности легирования по толщине пленки; равенстве нулю последовательных сопротивлений стока и истока.

В отсутствие напряжения между истоком и стоком (VD = О) глубина обедненной области (W) определяется контактной разностью потенциалов (Vbi >> ji) и напряжением на затворе (VG)

W2×e ×(V.bi + V.G)

q×N.D

где ND – концентрация донорной примеси; q – заряд электрона; ε – диэлектрическая проницаемость полупроводника; Vbi – контактная разность потенциалов; VG – напряжение на затворе.

3

Отметим, что в n-канальных приборах VG отрицательно относительно истока, а в приведенных выражениях под VG будем понимать абсолютное значение напряжения на затворе.

В случае VD ≈ 0 обедненная область расширяется от W1 на истоковом конце затвора (рис. 1.2) до W2 на стоковом конце. Глубина обеднения определяется формулой

где V(x) – локальное значение потенциала в проводящем канале ПТШ на расстоянии x от стокового конца затвора.

Зависимость дрейфовой скорости от электрического поля в этой модели определяется так:

v m×E

где v – дрейфовая скорость, E – напряженность электрического поля, μ – подвижность свободных носителей заряда.

Напряжение отсечки VP определяют из условия смыкания обедненной области и подложки, т.е. W=A:

q×N.D×A2 V.P 2×e

Увеличение напряжение между стоком и истоком приводит к возрастанию тока канала, что соответствует линейной области ВАХ (рис. 1.3 область 1). Ток в этой области определяется выражением

II.P× 3×(u.22 - u.12) - 2×(u.23 - u.13)

где

– относительная глубина обеднения под истоковым концом затвора;

– относительная глубина обеднения под стоковым концом затвора;

4

– ток отсечки канала (Z – ширина структуры ПТШ; L – длина затвора).

При возрастании UD глубина канала под стоковым концом становится равной A, ток достигает максимального значения – тока насыщения:

I.Dsat I.P×(1 - 3×u.12 + 2×u.13)

На ВАХ этому значению тока соответствует область насыщения (рис. 1.3 область 2). Напряжение, соответствующее началу области насыщения (UDsat), определяется следующим образом:

V.Dsat V.P - V.bi - V.G

Дальнейшее увеличение напряжения на стоке практически не изменяет ток стока.

Важной характеристикой ПТШ является крутизна:

Крутизна максимальна в области насыщения:

Канальные полевые транзисторы широко применяются в высокочастотных схемах в качестве усилителей. Характеристиками, определяющими работу ПТШ в высокочастотных схемах, являются:

– емкость перехода затвор-сток:

– граничная частота

f g.m

2×p ×C.i

1.2.2. Модель ПТШ на кремнии

Для ПТШ на кремнии зависимость дрейфовой скорости от электрического поля отличается от той, что была в первой модели. Эту зависимость можно аппроксимировать следующим выражением:

5

vm×E 1 + m×E

v.S

Увеличение напряжение между стоком и истоком приводит к возрастанию тока канала, что соответствует линейной области ВАХ (рис. 1.3 область 1). Ток в этой области определяется выражением

где vS – дрейфовая скорость насыщения.

При возрастании UD глубина канала под стоковым концом становится равной A, ток достигает максимального значения – тока насыщения:

Дальнейшее увеличение напряжения на стоке практически не изменяет ток стока.

Важной характеристикой ПТШ является крутизна:

Крутизна максимальна в области насыщения:

1.2.3. Модель ПТШ на кремнии с учетов сопротивлений стока и истока

Ток ПТШ на кремнии с учетом сопротивления стока и истока определяется следующим уравнением

где

6

1.3. Экспериментальная установка

Имитационная модель ПТШ, созданная средствами комплекса LabVIEW, реализует приведенную выше математическую модель. Виртуальная установка (рис 1.4) позволяет отслеживать влияние на ВАХ и крутизну ВАХ ПТШ при четырех последовательно заданных наборах следующих входных параметров: Ud – напряжение на стоке; Ug – напряжение на затворе; L – длина затвора; Nd – уровень легирования канала; A – глубина канала.

Лицевая панель включает изображения поперечного сечения ПТШ, элементы управления моделью (ввода входных параметров) и элементы отображения входных параметров в виде цифровых, стрелочных, шкальных индикаторов и экранов.

7

7.Исследуйте, какие напряжения следует изменять для увеличения глубины обеднения в истоковой части затвора при сохранении глубины обеднения в стоковой части затвора.

8.Исследуйте влияние полескоростной характеристики на ВАХ и кру-

тизну.

9.Исследуйте влияния сопротивления стока и истока на характеристики

ПТШ.

1.5.Порядок выполнения работы

1. Запустите программу LabVIEW соответствующей иконкой в среде

Windows.

2.Загрузите файл с имитационной моделью: File → Open, далее выберите необходимый файл из каталога.

3.«Включите» устройство, выбрав из функционального меню иконку .

4.Установите необходимые входные параметры.

5.Пронаблюдайте, как изменение входных параметров влияет на выходные – ВАХ и крутизну ВАХ. Зарисуйте полученные графики, предварительно нажав кнопку Change на лицевой панели установки.

6.Установите новые входные параметры или измените часть прежних и запустите установку, снова нажав кнопку Change. Для зарисовки новых графиком также воспользуйтесь этой кнопкой.

7.«Выключите» установку, нажав кнопку ; после выполнения всех заданий выйдите из программы: File → Exit.

1.6.Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Описание исследуемого прибора и принципа его действие.

3.Основные положения имитационной модели.

4.Отчет о выполнении заданий, проиллюстрированный графиками (ВАХ, крутизна ВАХ), численными примерами (входные и выходные параметры модели). Поясните результаты полученные с помощью имитационной

модели, с точки зрения физики исследуемых процессов. 5. Выводы.

Защита лабораторной работы состоит в выполнении задания, аналогичного 1.4 (по указанию преподавателя) без использования имитационной модели и проведения подобного расчета. Обоснуйте свой ответ с точки зрения физики процесса, а затем проверьте правильность качественной оценки с помощью имитационной модели.

9

1.7.Контрольные вопросы

1.Какие преимущества и недостатки имеет GaAs по сравнению c Si как материал для интегральных схем.

2.Опишите основные элементы конструкции ПТШ на GaAs.

3.Какие основные приближения используются при анализе вольтамперных характеристик ПТШ?

4.Что такое напряжения отсечки в ПТШ? От чего оно зависит?

5.От чего зависит ток стока в ПТШ (ВАХ)?

6.Чем определяется крутизна характеристики ПТШ?

7.Как изменяется крутизна и ток стока при изменении концентрации носителей тока?

8.Как изменяется форма обедненной области под затвором при увеличении потенциала на стоке?

9.Как изменяется ток насыщения в случае учета ПСХ?

10.Как изменяется крутизна в случае учета ПСХ?

11.От чего зависит максимальная рабочая частота прибора? Чем ограничивается увеличения быстродействия на GaAs?

Лабораторная работа № 2

ПОЛЕВОЙ МДП-ТРАНЗИСТОР

2.1. Цель работы

Приобретение практических навыков качественного анализа основных функциональных зависимостей, описывающих физические процессы, протекающие в полевом МДП-транзисторе.

2.2 Основные положения

Полевой МДПТ – полупроводниковый прибор с тремя выводами: затвором, истоком, стоком и изолирующим диэлектрическим слоем между затвором и полупроводником (металл-диэлектрик-полупроводник – МДПструктура). В кремниевых МДПТ в качестве диэлектрика обычно используется диоксид кремния, поэтому кремниевые транзисторы называют МОП-транзисторами (металл- оксид-полупроводник – МОП-структура). Из них наибольшее распространение в Инте-

10