Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Ордена Трудового Красного Знамени Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский технический университет связи и информатики»

Кафедра "Электроники"

Отчет по лабораторной работе №4 по дисциплине “Электроника” на тему: “ИССЛЕДОВАНИЕ МДП–СТРУКТУРЫ”

Вариант №2

Оглавление

1. Постановка задачи 2

2. Результат выполненной работы 2

3. Вывод 6

1. Постановка задачи

Целью настоящей работы является исследование особенностей структуры металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и возможностей её применения в электронике. Исходными данными являются следующие параметры: толщина диэлектрика, концентрация акцепторной примеси, ширина и длина канала.

2. Результат выполненной работы

На рисунке 1 изображена МДП структура с исходными параметрами. Исходная толщина диэлектрика 0,025 мкм, концентрация акцепторной примеси , ширина канала 0,3 мкм, а его длина 1.5 мкм.

Рисунок 1 – Структура металл-диэлектрик-полупроводник при исходных данных

Чтобы уменьшить пороговое напряжение, уменьшим концентрацию акцепторной примеси до . Таким образом пороговое напряжение уменьшается до 0,6731 В.

На рисунке 2 представлены полученные данные МДП структуры с уменьшенным пороговым напряжением.

Рисунок 2 – МДП структура с уменьшенным пороговым напряжением

Чтобы увеличить удельную крутизну при данном коэффициенте подвижности носителей, представляется возможным уменьшить длину канала МДП-транзистора до 1.25 мкм, а также увеличить его ширину до 0.55 мкм. Толщина подзатворного диэлектрика тоже оказывает влияние на удельную крутизну, однако ее изменение повлечет изменение удельной емкости, что будет недостатком такого транзистора.

Полученные параметры МДП-транзистора с увеличенной удельной крутизной расположены на рисунке 3.

Рисунок 3 – МДП структура с увеличенной удельной крутизной

Чтобы уменьшить ёмкость затвор-канал МДП, необходимо уменьшить длину канала L до 1 мкм и уменьшить ширину канала МДП-транзистора W до 0.25 мкм, т.к. емкость затвор-канал МДП прямо пропорциональна ширине и длине канала МДП-транзистора.

где – удельная емкость МДП–структуры.

Полученные данные представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - МДП-структура с уменьшенной емкостью затвор-канал

Таблица 2. Результаты расчетов

Исходные данные	Измененный параметр	Пороговое напряжение, B	Удельная крутизна, А/В2	Удельная емкость, Ф/мкм2	Емкость затвор-канал, Ф
из табл. 1	–	0,8312	1,5186	1,3806	6,2127
При самостоятельно изменённом параметре с целью уменьшения порогового напряжения	N=0,5	0,6731	1,5186	1,3806	6,2127
При самостоятельно изменённом параметре с целью увеличения удельной крутизны	L = 1.25 мкм W = 0.55 мкм	0,8312	3,341	1,3806	9,4916
При самостоятельно изменённом параметре с целью уменьшения ёмкости затвор-канал	L = 1 мкм W = 0.25 мкм	0.8312	1.8983	1,3806	3.4515

3. Вывод

В результате проделанной работы мы изучили особенности структуры металл-диэлектрик-полупроводник и можем сделать вывод, что для уменьшения порогового напряжения необходимо уменьшать количество акцепторной примеси, для увеличения удельной крутизны следует уменьшать длину канала и увеличивать его ширину. Для уменьшения емкости затвор-канала, в свою очередь, необходимо уменьшать и длину и ширину канала МДП-транзистора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Власов В.П. Каравашкина В.Н., Практикум № 1 по курсу Физические Основы Электроники. Москва, 2015

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите основные режимы МДП–структуры. При каких условиях они возникают?

Для МДП-транзисторов p- типа:

Режим обогащения возникает, когда на затвор подается отрицательное напряжение, которое притягивает дырки из более глубоких слоев полупроводника.

Режим обеднения, напротив, возникает при подаче положительного напряжения, которое выталкивает дырки из подзатворной области.

Режим инверсии (когда транзистор приобретает свойства n-полупроводника) возникает тогда, когда напряжение превышает пороговое и соответственно концентрация свободных электронов превышает количество дырок. Транзистор в этом режиме называют транзистором с индуцированным n-каналом.

2. В чем заключается полевой эффект?

Это возможность управлять режимом работы транзистора с помощью подачи напряжения на затвор. Чтобы достичь максимального результата, затвор должен быть очень тонким, порядка нескольких межатомных расстояний. Под действием поперечного электрического поля изменяется электропроводности концентрации носителей (в полупроводнике).

3. Как устроен и работает МДП–транзистор?

МДП–структура представляет собой контакт, образованный тремя слоями: металла, диэлектрика и полупроводника. Наиболее распространена структура с кремнием p- или n- типа в качестве полупроводника и с двуокисью кремния (SiO2) в качестве диэлектрика. Структура с кремнием р-типа более распространена, поскольку в канале n- типа ток определяется дрейфом свободных электронов, обладающих более высокой подвижностью.

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. Изменяя электрическое поле затвора, можно менять свойства транзистора, переводя его в другой режим работы.

4. Что такое пороговое напряжение МДП–структуры и от чего оно

зависит?

Пороговым напряжением МДП транзистора называется такое напряжение на затворе, при котором При достаточно сильном положительном поле концентрация дырок и электронов сравниваются, полупроводник в подзатворной области становится собственным. При напряжении на затворе U3 > U0 концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок, т.е. полупроводник в подзатворной области приобретает свойства n-полупроводника (режим инверсии).

От величины порогового напряжения зависит минимальное напряжение источника питания МДП ИС при котором, с одной стороны, минимизируется потребляемая мощность, а с другой стороны обеспечивается надёжное отпирание транзисторных ключей.

Из формулы видно, что пороговое напряжение зависит от контактной разности потенциалов металл-полупроводник, концентрации примеси в полупроводнике и удельной емкости.

Производители элементной базы под пороговым напряжением понимают значение напряжения на затворе, при котором в МДП-транзисторе возникает так называемый предпороговый ток, не превышающий определенного минимального значения

5. Что такое удельная емкость МДП–структуры и от чего она зависит?

Удельная емкость структуры типа МДП состоит из последовательно включенных удельных емкостей диэлектрика и пространственного заряда в полупроводнике она может быть определена согласно соотношению:

Удельная емкость находится в обратной пропорциональности от толщины диэлектрика.

Стоит отметить, что диэлектрический слой должен иметь достаточно малую толщину d и утолщение диэлектрика приведет к ослаблению электрического поля в подзатворной области. Следовательно, изменение удельной емкости приводит к ухудшению основной характеристики МДП-структуры.

6. Что такое удельная крутизна МДП–структуры и от чего она зависит?

Важнейшей характеристикой МДП–структуры является удельная крутизна B, определяющая степень влияния U_З (напряжение на затворе) на состояние канала и ток МДП–тран­зистора.

Чем больше B, тем при меньшем изменении U_З управляется транзистор (в ключе – замыкается и размыкается). Ток стока I_c определяется выражениями, в зави­симости от режима,

или

В обоих случаях степень влияния U_З на I_C определяет удельная крутизна:

7. Как совершенствуется МДП–транзистор?

1. Уменьшение U₀ и увеличение B, т.е. улучшение управляемости МДП–структуры достигается, прежде всего, уменьшением толщины диэлектрического слоя. Естественным ограничением при этом является уменьшение его электрической прочности и рост тока утечки между затвором и каналом.

2. Увеличение B достигается уменьшением длины канала, что ограничено раз­решающей способностью интегральной технологии (порядка нескольких нанометров в 2015 г.).

3. Увеличение B достигается использованием полупроводников с большим коэффициентом подвижности. Поэтому кремниевые n-канальные МДП–транзисторы предпочтительнее p-канальных, а ещё лучшие результаты обеспечивает применение арсенида галлия, отличающегося наиболее высокой подвижностью свободных электронов.

Заряд и разряд ёмкости затвор – канал МДП–транзистора является главным фактором инерционности. Из (1) и (5) следует, что не в ущерб U₀ и B быстродействие МДП–транзистора можно улучшить, только уменьшив площадь канала . Именно поэтому успехи в увеличении быстродействия цифровой электроники связаны, в основном, с уменьшением размеров транзисторов.

МОСКВА 2022