Задание
1. Нарисовать масштабный эскиз и топологию МДП-транзистора в соответствии с заданием
2. Рассчитать пороговое напряжение
МДП-транзистора при заданных исходных
данных и
= 0 В.
3. Внести изменения в конструкцию
транзистора, чтобы обеспечить пороговое
напряжение
+1 В.
4. Рассчитать и построить выходные
характеристики в приближении
идеализированной модели при
= 0 В в диапазоне напряжений:
0-5 В;
= 0 - 5 В (шаг 1 В)
5. Рассчитать выходную характеристику
с учётом неоднородности ОПЗ под затвором
(реальная ВАХ) при
0-5 В,
= 4 В,
= 0 В.
6. Построить выходные ВАХ транзистора
в рамках идеальной и реальной моделей
при
0-5 В,
= 4 В,
= 0 В.
7. Привести малосигнальную эквивалентную схему, объяснить смысл элементов.
Факультативно
8. Провести расчет
и корректировку
с учетом эффектов короткого и узкого
канала.
9. В дополнение к п.6
построить реальную выходную ВАХ для
= 4 В,
= -2 В. На одном графике совместить
следующие ВАХ:
- Идеальная ВАХ при
0-5 В,
= 4 В,
= 0 В.
- Реальная ВАХ при
0-5 В,
= 4 В,
= 0 В.
- Реальная ВАХ при
0-5 В,
= 4 В,
= -2 В.
10. Рассчитать параметры эквивалентной схемы.
1.2 Структура и топология МДП-транзистора
В соответствии с заданием, транзистор имеет следующие характерные размеры: L=3 мкм, W=10 мкм, d=0.03 мкм, Xj=0.6 мкм. Масштабный эскиз структуры показан на рисунке 1.1.
Р
исунок
1.1 – Структура исследуемого МДП-транзистора
Масштабная топология прибора
показана на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Топология исследуемого МДП-транзистора
1.2.1. Технология изготовления мдп-структур
Технология изготовления МДП ИС значительно проще технологии изготовления биполярных интегральных схем. Так, число основных технологических операций примерно на 30 % меньше, чем при изготовлении и биполярных ИС.
Наибольший практический интерес представляет изопланарная технология изготовления МДП-структур, особенностью которой является изоляция МДП-структур толстым слоем оксида кремния. Применение этой технологии позволяет совместно формировать на одной подложке как биполярные, так и МДП-структуры. Процесс поэтапного формирования МДП-структуры:
а) на поверхности кремниевой подложки р-типа формируют маску из нитрида кремния, через отверстия в которой внедряют ионы бора, в результате чего формируются противоканальные р+-области;
б) окислением через маску создают разделительные слои диоксида кремния, после чего удаляют слой нитрида кремния, затем ионным легированием бора создают слой с повышенной концентрацией акцепторов, который необходим для снижения порогового напряжения;
в) формируют тонкий подзатворный слой диоксида кремния и наносят на него слой поликремния (затвор);
г) ионным легированием мышьяка формируют n+-области истока и стока;
д) химическим паровым осаждением наносят слой диоксида кремния, формируют в нем окна, напыляют пленку алюминия и методом фотолитографии создают рисунок металлических проводников.
1.2.2 Краткие теоретические сведения о МДП-транзисторах.
Транзисторы со структурой металл-диэлектрик полупроводник
1). В рамках идеализированной модели ток стока является функцией двух напряжений:
или
и не
зависит от потенциала подложки (т.е. от
напряжения
).
2). ВАХ идеализированного МДП транзистора определяется двумя параметрами:
и 
.
3). В
пологой области ВАХ ток стока и крутизна
ВАХ зависят только от напряжения
затвор-исток:
; 
,
а eмкости
,
.
4). Предельная частота транзистора определяется соотношением
и составляет
.
5). Эффективными способами регулировки порогового напряжения являются:
а) применение поликремниевого затвора п+- или р+- типа;
б) подлегирование поверхности канала.
ВАХ реального МДП транзистора с длинным каналом
1). В реальных МДП транзисторах пороговое напряжение и ВАХ зависят от напряжения подложка-исток.
2). Ток стока зависит от трех напряжений:
.
Влияние потенциала подложки учитывается
дополнительными параметрами ВАХ
и
.
Запирание перехода подложка-исток при
заданных напряжениях
уменьшает ток стока и напряжение
насыщения.
3). При
через канал протекает подпороговый
ток. Этот ток экспоненциально зависит
от напряжения
.
4) Пороговое напряжение зависит от
температуры через параметр
.
Для любого типа канала ток
при заданных напряжениях растет с
температурой.
Эффекты малых размеров (короткий или узкий канал)
1. Эффекты малых размеров в МДПТ связаны с краевыми эффектами в ОПЗ, разогревом носителей в канале продольным полем и новыми механизмами тока (из-за близости стока к истоку).
2. Пороговое напряжение п-канальных транзисторов уменьшается при уменьшении длины канала, увеличении ширины канала и увеличении напряжения сток-исток; р-канальных — наоборот.
3. Смыкание ОПЗ стока и истока приводит к эффекту, аналогичному пробою.
4. Ограничение дрейфовой скорости носителей в канале приводит к тому, что в пологой области ВАХ канал на границе со стоком не перекрывается полностью. Ограничение дрейфовой скорости носителей уменьшает ток стока в пологой области ВАХ и снижает напряжение сток-исток насыщения.
5. При увеличении напряжения сток-исток в пологой области ВАХ уменьшается эффективная длина канала. В результате выходная проводимость транзистора конечна.
1.3 Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора
При
пороговое напряжение n-МДП-транзистора
рассчитывается по формуле 1.1:
(1.1) где:
- φGB – контактная разность потенциалов затвор - полупроводник,
-φG, φB – их потенциалы соответственно,
-QSS –плотность поверхностного заряда на границе диэлектрик-полупроводник,
-QSB0 – поверхностная плотность заряда в канале,
-CS – удельная емкость диэлектрика.
На основе исходных данных рассчитываем компоненты для 1.1:
-0,92 В
см
Кл/см2 .
=
Кл/см2
.
=
Ф/см2
Таким образом, предположим что при
заданных исходных данных обеспечивается
пороговое напряжение,
0.2 B.
Вывод: для
обеспечения величины порогового
напряжения
+1 В необходимо увеличить его на
+1
- (0,2) = +0,8 В. Если затвор сделать из р+-Si,
то получим
0.2+1.12=1.32В.
Остается добавить
+1-1.32=-0.32В.
Так как эта величина отрицательная, то
под затвором необходимо выполнить
подлегирование поверхности примесью
n-типа
(мелкими донорами) на глубину
*Xj=0.06
мкм.
Необходимая доза подлегирования составляет
см-2,
Cредняя концентрация акцепторов в подзатворном слое
D/Δx=
см-3
.
1.4 Расчёт ВАХ в рамках идеализированной модели
В этом приближении действие подложки
не учитывается, а толщина ОПЗ под затвором
считается постоянной и равной
.
ВАХ (1.2):
(1.2)
где 
;
А/В2.
(1.3)
Таблица точек построения графика идеальных ВАХ МДП-транзистора:
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0.075 |
0.18 |
0.28 |
0.38 |
|
|
0.1 |
0.38 |
0.68 |
0.98 |
|
|
0.1 |
0.4 |
0.8 |
1.2 |
|
|
0.1 |
0.4 |
0.88 |
1.38 |
|
|
0.1 |
0.4 |
0.9 |
1.58 |
|
|
0.1 |
0.4 |
0.9 |
1.6 |
В
В
В
В
Семейство идеальных ВАХ МДП-транзистора показано на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Семейство ВАХ МДП-транзистора в рамках идеальной модели
- ток стока;
- напряжение сток-исток;
1 - ВАХ МДП-транзистора для
;
2 - ВАХ МДП-транзистора для
;
3 - ВАХ МДП-транзистора для
;
4 - ВАХ МДП-транзистора для
;
Вывод: найдено семейство ВАХ идеального транзистора при различных напряжениях затвор-исток.
1.5 Расчёт ВАХ с учётом неоднородности ОПЗ под затвором
Для крутой области ВАХ:
,
(1.4)
Коэффициент влияния подложки рассчитывается как (1.5):
(1.5)
Расчет проведем для
,
В
Напряжение насыщения определяется соотношением :
, (1.6)
где 
(1.7)
Для
,
В:
=2,46В.
Ток насыщения IDS определяется из выражения (1.4) при VDS=VDSS (1.8):
мА
(1.8)
Для пологой области ВАХ:
Для пологой области расчет ВАХ проводится следующим образом
(рисунок 1.4)
-
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)).
Рисунок 1.4 – Методика построения ВАХ реального транзистора в пологой области
Вычислим
при
В как (1.9)
.
(1.9)
Эффективная длина канала:
,
(1.10)
где ES = 15 кВ/см — поле насыщения скорости электронов,
— (1.11)
толщина ОПЗ под стоком на границе с пологой областью,
=
0,92 В — (1.12)
контактная разность потенциалов сток-подложка.
Из (1.11) и (1.12):
см
см
Ток стока при
В:
|
|
Идеальный |
Реальный |
|
Vdt=0,В; Id,мА |
0 |
0 |
|
Vdt=2,В; Id,мА |
0.7 |
0.8 |
|
Vdt=2,35,В; Id,мА |
0.73 |
0.86 |
|
Vdt=4,В; Id,мА |
0.87 |
0.9 |
|
Vdt=5,В; Id,мА |
0.85 |
0.9 |
На рисунке 1.5 показаны ВАХ транзистора,
рассчитанные в рамках идеальной и
реальной моделей при UBS=0
В.
Рисунок 1.5 - ВАХ транзистора, рассчитанные в рамках идеальной и реальной моделей при UBS=0.
-
а – идеальная модель, UBS=0
-
б – реальная модель, UBS=0B
Вывод: в результате расчета была вычислена
реальная ВАХ транзистора в отсутствие
напряжения подложка-исток. Точка
насыщения:
=2,46В,
мА.
При построении пологой области была
взята точка
В,
1.6 Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры
Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора показана на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 – Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора
-
RG – сопротивление затвора;
-
RD – сопротивление стока;
-
RS –сопротивление стока;
-
RB – сопротивление подложки;
-
G – выходная проводимость;
-
CGD – диффузионная ёмкость перехода затвор-сток;
-
CG – барьерная ёмкость затвора;
-
Cbd – диффузионная ёмкость перехода подложка-сток;
-
Cbs – диффузионная ёмкость перехода подложка-сток;
-
gSVg – генератор тока; gbVb – генератор тока;
1.7 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 1.13:
(1.13), где
;
,
— толщина ОПЗ под затвором, истоком и
стоком,
— толщина
-областей,
— контактная разность потенциалов
-область
—
-подложка.
Считаем случай, когда
В
,
В
B
мкм
мкм
мкм
С учетом эффекта узкого канала изменение порогового напряжения рассчитывается по формуле 1.14:
(1.14)
B
Вывод: с учётом эффектов короткого и
узкого канала получим изменение
порогового напряжения
В.
1.8 Факультативное задание: Расчёт
реальной ВАХ, зависящей от
Расчет реальной ВАХ при UBS=-2В проводится аналогично разделу 1.5. Результаты расчета выходной ВАХ рассматриваемого МДП-транзистора
при UGS=4B, UDS=0-5В, UBS=-2 в рамках модели вместе с данными рисунка 1.5 показаны на рисунке 1.7.
Для крутой области ВАХ:
,
(1.4)
Коэффициент влияния подложки рассчитывается как (1.5):
(1.5)
Расчет проведем для
,
В
Напряжение насыщения определяется соотношением :
, (1.6)
где 
(1.7)
Для
,
В:
=2,62В.
Ток насыщения IDS определяется из выражения (1.4) при VDS=VDSS (1.8):
мА
(1.8)
Для пологой области расчет ВАХ проводится следующим образом
(рисунок 1.4)
-
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)).
Рисунок 1.4 – Методика построения ВАХ реального транзистора в пологой области
Вычислим
при
В как (1.9)
.
(1.9)
Эффективная длина канала:
,
(1.10)
где ES = 15 кВ/см — поле насыщения скорости электронов,
— (1.11)
толщина ОПЗ под стоком на границе с пологой областью,
=
0,92 В — (1.12)
контактная разность потенциалов сток-подложка.
Из (1.11) и (1.12):
см
см
Ток стока при
В:
На рисунке 1.5 показаны ВАХ транзистора, рассчитанные в рамках идеальной и реальной моделей при UBS=0.
|
|
Идеальный,
|
Реальный,
|
Реальный,
|
|
Vdt=0,В; Id,мА |
0 |
0 |
0 |
|
Vdt=2,35,В; Id,мА |
0.8 |
0.8 |
0.75 |
|
Vdt=2,75,В; Id,мА |
0.86 |
0.86 |
0.77 |
|
Vdt=4,В; Id,мА |
0.9 |
0.9 |
0.95 |
|
Vdt52,В; Id,мА |
0.9 |
0.9 |
1 |
Рисунок 1.7 - ВАХ транзистора, рассчитанные при Ugs=4В с учетом различных приближений
-
а – идеальная модель, UBS=0
-
б – реальная модель, UBS=0B
-
в – реальная модель, UBS=-2B
Вывод: в результате расчета была вычислена
реальная ВАХ транзистора при напряжений
подложка-исток UBS=-2B.
Точка насыщения:
=2,62В,
мА.
При построении пологой области была
взята точка
В,
1.9 Факультативное задание: Расчёт параметров эквивалентной схемы