Учебное пособие 800594

ли значительными преимуществами по сравнению с характеристиками имеющегося биполярного мощного транзистора.

Рассмотрим несколько вариантов реализации ДМОПтранзистора с различной топологией. Характеристики транзистора определяются геометрическими размерами, что непосредственно определяет электрические параметры. Определим наиболее оптимальный вариант с точки зрения технологии.

Для решения поставленной задачи были смоделированы три полосковые топологии, в программном обеспечении L-edit, с шириной затвора 4, 6 и 8 мкм, длиной 1000 мкм, а так же были смоделированы ячейки. Количество ячеек зависит от размера кристалла. При ширине затвора, равной 4 мкм, количество ячеек составляет 114 штук, при 6 мкм – 93 штуки, при 8 мкм – 78 штук. В нашем случае площадь кристалла равна 1 мм2

Выполнение ДМОП-транзистора осуществлялось по технологии двойной диффузии с использованием программы приборнотехнологического моделирования TCAD. Суть приборно-техноло- гического моделирования состоит в обеспечении постоянной взаимосвязи между технологическими параметрами и характеристиками прибора. Циклический расчет технологии производства и физических процессов переноса электронов и дырок в устройстве дает возможность реализовать оптимизацию технологического маршрута и конструкции моделируемой структуры.

Как правило, мощные ДМОП-транзисторы имеют вертикальную структуру, в которой исток и затвор расположены на верхней стороне кристалла, а сток – на нижней.

Типовая структура ДМОП транзистора с указанием материалов и областей показана на рис. 1, а также продемонстрировано

Рис. 1. Разрез структуры ДМОП транзистора

110

распределение концентрации примеси по структуре. В технологическом САПР были созданы и измерены параметры и характеристики ДМОП-структуры с размерами 4, 6 и 8 мкм. Полученные результаты двумерного моделирования представлены в табл. 1

Таблица 1 Результаты двумерного моделирования ДМОП транзистора

Изменение пробивного напряжения нелинейно зависит от размеров затвора, что продемонстрировано на рис. 2, поэтому оптимальным можно считать Uпроб = 157,9 В при 6 мкм. При 4 мкм пробивное напряжение равно 164,8 В это на 6,9 В лучше, чем при 6 мкм, но при этом значительно теряется плотность ячеек на 1 мм2.

При ширине затвора 8 мкм Uпроб = 134,8 В, что на 23,1 В меньше, чем при 6 мкм, это увеличивает стоимость готового кристалла,

поскольку уменьшает их количество на единицу площади кристалла.

Рис. 2. Пробивные напряжения

На рис. 3 наглядно показано, как ухудшается равномерность градиента поля в области между карманами. Это связанно с умень-

111

шением пробивного напряжения, а также с увеличением напряженности поля в области подзатворного диэлектрика.

в

Рис. 3. Напряженность поля ДМОП транзистора: а – 4 мкм; б – 6 мкм; в – 8 мкм

На рис. 4 показана типовая зависимость тока стока (Iс) от напряжения между затвором и истоком (Uзи) при различных значениях напряжения сток-исток (Uси). График выходных характеристик можно разделить на две области: на линейную область, в которой значения Uси не слишком велики, и Iс растет линейно с ростом напряжения на стоке; и на область насыщения, в которой рост напряжения на Uси никак не проявляет воздействия на Iс (прибор работает как источник постоянного тока).

Рис. 4. Выходные характеристики ДМОП транзистора

112

Основное влияние на величину Uпор ДМОП-структуры оказывают: концентрации примеси в подложке и в области канала, и заряд поверхностных состояний в подзатворном диэлектрике

(рис. 5).

При измерении значений ненасыщенного порогового напряжения (Uпор) между затвором и сток (Uси) равно 1 В, а для насыщенного Uси = 25 В.

Рис. 5. Пороговые напряжения ДМОП транзистора

При минимальном значении сопротивления сток-исток в открытом состоянии (Rси) прибор способен коммутировать ток большой мощности благодаря малому падению напряжения между стоком и истоком. С увеличением ширины затвора Rси транзистора растет, так как увеличивается площадь ячейки (рис. 6). Таким образом, от 4 до 8 мкм Rси выросло на 0,161 мОм.

Рис. 6. Зависимость Iи от Uси для ДМОП транзистора в открытом состоянии

Результаты моделирования свидетельствуют о необходимости выполнения ДМОП-транзистора с шириной затвора 6 мкм, т.к.:

113

–габариты транзистора требует минимизации, уменьшение размера одного транзистора увеличивает их количество на единицу площади кристалла;

–уменьшение ширины затвора приводит к увеличению выходного сопротивления в открытом состоянии;

–Rси возрастает вместе с увеличением напряжения пробоя. Дальнейшее увеличение или уменьшение ширины затвора

должно производиться с целью увеличения выходного сопротивления и пробивного напряжения.

Трех ерное оде ир ование Для оптимизации размещения ячеек на кристалле рассмотрим три варианта возможной конструкции.

После выбора оптимальной ширины затвора, равной 6 мкм, были смоделированы три топологии: линейная, квадратная и октагональная (рис. 7 - 9). Было расчитано количество транзисторов на 1 мм2. 4278 штук – для линейной топологии, 8556 штук – для квадратной топологии и 7052 штук – для октагональной топологии.

Рис. 9. Октагональная топология Квадратная топология

В технологическом САПР были созданы ДМОПтранзисторы. Типовая структура устройства с указанием материалов

114

и областей показана на рис. 10, а, 11, а и 12, а, а на рис. 10, б, 11, б и 12, б продемонстрировано распределение концентрации примеси по структуре.

Рис. 10. 3D структура с полосковой ячейкой

Рис. 11. 3D структура с квадратной ячейкой

Рис. 12. 3D структура с октагональной ячейкой

115

увеличивается плотность ячеек на 1 мм2, что уменьшает стоимость готового кристалла, поскольку увеличивает их количество на единицу площади кристалла. При октагональной ячейке Uпроб = 143,9 В, что незначительно отличается от квадратной ячейки всего на 0,6 В. В этом случае сильно падает Rси в отличии от конструкции полосковой и квадратной ячеек. По этой причине оптимальным вариантном остается октагональная ячейка.

Таблица 2 Результаты трехмерного моделирования ДМОП-транзистора

Литература

1.Baliga B.J. Fundamentals of power semiconductor devices [Текст] / B.J. Baliga. – New York: Springer-Science, 2008. – 2055 р.

2.Victory Process User’s Manual, DEVICE SIMULATION SOFTWARE / Silvaco, Inc 4701 Patrick Henry Drive, Bidg.27.01.2016, Santa Clara, CA 95054, – 1070 р.

3.Lotfi M. Macromodeling of power VDMOSFET transistor incorporating self-heating effect [Текст] / M. Lotfi, D. Zohir // Microelectronics and Solid State Electronics. – 2012. – Р. 567.

Воронежский государственный технический университет

117

УДК 621.382

Д.Н. Бугаев

РАЗРАБОТКА АДАПТЕРА ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ДЛЯ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ СОСТАВА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА ПРИ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКЕ ЗАБОЛЕВАНИЙ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Проблема создания адаптера стала актуальной после закупки зарубежных детекторов, так как фильтры, входящие в анализатор, одноразовые, а их замена дорогостоящая. Также наличие готового адаптера упростит создание отечественных детекторов состава выдыхаемого воздуха.

Существует технология определения заболеваний дыхательной системы по концентрации примесных газов в выдыхаемом воздухе и на базе этой технологии зарубежными фирмами были разработаны медицинские приборы для детектирования отдельных примесных газов, одновременно ведутся разработки отечественных тестеров примесных газов [1].

Одним из важных элементов детектора NOx является адаптер, предназначенный для оценки выдыхаемого пациентом воздуха и регулирование скорости воздушного потока.

Целью работы является разработка и изготовление адаптера воздушного потока для приборов контроля состава выдыхаемого воздуха при экспресс-диагностике бронхиальной астмы с возможностью многоразового использования.

В ходе создания адаптера была составлена предположительная конструкция прибора и проведены исследования адсорбирующих материалов.

Адаптер (рис. 1) – это система, состоящая из четырех частей: адаптера для крепления к прибору, прибора для измерения потока воздуха, осушающего фильтра с силикагелем в качестве наполнителя и одноразового антибактериального фильтра с проспиртованной тканью.

118