Расчет полевого транзистора. Расчет полевого транзистора 1BVK. Расчет полевого транзистора с изолированным затвором (мдптранзистора) с индуцированным каналом
 Скачать 341 Kb.
|
|
Расчет полевого транзистора с изолированным затвором (МДП-транзистора) с индуцированным каналом. Выбор длины канала и диэлектрика п  од затвором. Выбор длины канала. На рис. 2.1. приведена структура n-канального МДП транзистора. Обычно длина канала l выбирается в пределах 2..4 мкм. Минимальное значение L ограничено возможностями фотолитографии. Необходимо проверить является ли конструкция транзистора длинноканальной /3/  , (2.1) где xp-n –глубина залегания p-n-перехода истока и стока в мкм; k=8,62 мкм -1/3. д – толщина слоя диэлектрика под затвором. мкм; δи и δ с – толщины p-n-переходов истока и стока в см, рассчитываемые в приближении резкого несимметричного перехода (1.6)  , ,где N – концентрация примеси в подложке в см-3 , q – заряд электрона (1,6·10-19), ε0 – диэлектрическая постоянная, равная 8,85·10-14 Ф·см-1, ε – диэлектрическая постоянная кремния, равная …… φкип – контактная разность потенциалов между истоком и подложкой, φксп – контактная разность потенциалов между стоком и подложкой:  , ,где k – постоянная Больцмана, T – температура в К, Nи – концентрация примесей в области истока, Nc – концентрация примеси в области стока, ni0 – концентрация собственных носителей. Рассчитанные dи и dс получаются в см. Для подстановки в формулу 2.1 их значения необходимо перевести в мкм. 1см равен 104 мкм. Рассчитываемая по соотношению 2.1 минимальная длина канала получается в мкм. 1.2. Выбор диэлектрика под затвором. В качестве подзатворного диэлектрика используются следующие материалы: SiO2, Si3N4, Al2O3. Для МДП-транзистора на основе кремния чаще всего используется двуокись кремния (SiO2), полученная методом термического окисления кремния. Толщина слоя диэлектрика определяется напряжением пробоя и обычно находится в пределах 0,05…0,1 мкм. Пленки Si3N4 и Al2O3 непосредственно на кремний не наносят, т.к. на границе раздела получаются большие плотности поверхностных состояний. По этому при необходимости их наносят на пленку SiO2 толщиной 40..50 нм. В МДП-транзисторах на основе арсенида галлия (GaAs) роль диэлектрика могут выполнять слои SiO2 , Si3N4 , Al2O3 . 1.3. Выбор толщины диэлектрика под затвором  (2.2) Коэффициент запаса (2...4) учитывает дефекты в реальных диэлектриках. В таблице 1 приведены значения напряжённости электрического поля при пробое Eпроб, относительной диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления плёнок SiO2 , Si3N4 , Al2O3. Таблица 1
2. Выбор удельного сопротивления исходной пластины или поверхностной концентрации примесей. Определяет максимальную напряженность между стоком и истоком, а также пороговое напряжение. Максимальное напряжение между стоком и истоком определяется минимальным из напряжений: пробивным напряжением стокового перехода или напряжения смыкания областей ОПЗ стокового и истокового переходов.  Концентрации примесей выбирается таким образом, чтобы напряжение смыкания Uси см было в 1,3 – 1,5 раз больше заданного допустимого напряжения между стоком и истоком Uсимакс: Uси см = (1.3 - 1.5) Uсимакс. Если проектируется транзистор, входящий в состав комплементарной пары, пробивное напряжение определяется поверхностной концентрацией примесей в кармане. Пробивное напряжение рассчитывается по ф-ле (1.2)  ,где Eg – ширина запрещённой зоны в эВ, N – концентрация примесей в высокоомной области в см-3 . 2.3. Расчет порогового напряжения.  (2.3)Qs эф – удельный эффективный поверхностный заряд на единице площади; Qоб – заряд ионизированных примесей в обедненной области подложки на единице площади; Сд =0д / д– удельная емкость слоя диэлектрика под затвором (ед. площадь); МП – контактная разность потенциалов между электродом затвора и подложки;  - потенциал, соответствующий положению уровня Ферми, отсчитываемый от середины запрещенной зоны в объеме п/п. Знак “плюс” берется для подложки р-типа, “ - ” – для n-типа.Qs эф – связан с фиксированными зарядами, локализованные в близи границы раздела диэлектрик- п/п, и зарядом поверхностного состояния. Зависит от кристаллограф. плоск. ориентации пластин и метода окисления. Наибольшее значение эффективного поверхностного заряда получается при окислении с Т=1000…1150 0С в сухом О2 с добавлением 1..2% HCl. При ориентации по плоскости (100) обычно Qs эф  (0.5…1)10-8 Кл/см2 и в 3 раза выше при ориентации (111).Заряд ионизированных примесей в области подложки:  (2.4),где  - толщина обедненной области. “+” в (2.4) для подложки n-типа, “-” для р-типа.Контактная разность потенциалов в вольтах:  (2.5)АМ и Ап – работа выхода электронов из метала и п/п; X– энергия ср-ва к электрону для п/п ( для Si X=4,15 эВ); В 2.5 F – для подложки р-типа отрицателен, а для n-типа положителен, поэтому работа выхода полупроводника p-типа больше, чем для n-типа. Таблица 3
При напряжении на затворе, равном пороговому S0=2F , что соответствует появлению сильной инверсии. S0 – поверхностный потенциал. Перепишем (2.3) в виде  , где  - напряжение плоских зон, т.е. такое напряжение на затворе, когда S0=0.Если получается 2-х слойный диэлектрик, то удельная емкость слоя определяется  , где д1, д2 – диэлектрическая проводимость, д1, д2 – толщина слоя. П  ороговое напряжение транзистора в комплементарной паре определяется поверхностной концентрацией примесей.Расчет проводится при Тмин, Т0, Тмах. По результатам расчетов д.б. построены зависимости порогового напряжения от концентрации примесей в кармане при разных температурах. Из этих зависимостей и зависимостей напряжения смыкания и пробивного напряжения выбрать значение концентрации примеси в подложке, учитывая заданные Uпори Ucи мах. 2.4. Определение ширины канала. В первом приближении  (2.6)где S – заданная величина крутизны характеристики передачи; Iс – заданный ток стока; 0 – подвижность носителей заряда при слабом электрическом поле. Подвижность носителей в канале ниже, чем в объеме. При комнатной температуре по=750 см2/(В*с), подвижность дырок ро=250 см2/(В*с). Если транзистор проектируется для работы как ключ, то в задании указывается сопротивление сток - исток в открытом состоянии. В этом случае ширина канала определяется:  ,Где Uзи – напряжение между затвором и истоком. При выборе и расчете технологических режимов следует учитывать, что геометрические размеры вставляемых в SiO2 окон и сформированных диффузией областей не совпадают по геометрическим размерам фотошаблона. Геометрические размеры реального МДП-транзистора в соответствии с рис.2.3.:  ; , где lФ, bФ – размеры канала на фотошаблоне; хj – глубине залегания ЭДП истока и стока; 0.8хj – величина боковой диффузии примеси; хТ=0.5…1 мкм – изменение размеров окон в результате подтравления SiO2 ; lП – перекрывание затвором сильнолегированных областей стока и истока; аФ, zФ – ширина и длина окон под областями стока и истока на фотошаблоне.   lb bФ XT ln            ZФ lФ   0.8Xj aФ   Р  ис.2.3. Изменение геометрических размеров структуры МДП-транзистора после технологических операций фотолитографии и диффузии примесей: - контуры окон в фотошаблоне; -  - - - - - - контуры окон в SiO2 под областью стока и истока и для выращивания тонкого слоя SiO2 под затвором; - контуры сильнолегированных областей стока и истока после диффузии.2.3. Выбор топологии МДП-транзистора. Определяется шириной канала b. Если она не велика по сравнению с l , то можно принять линейную конфигурацию областей стока, истока, затвора. Рис.2.4.а. Если b/l>100, то в целях экономии площади кристалла затвор следует выполнять в виде меандра, а области истока и стока будут иметь гребенчетую структуру (рис.2.4). 2.6. Расчет выходных статических характеристик МДП-транзистора. Для расчета тока стока на крутом участке ВАХ:  , (2.7)где Eкр – критическое значение продольной составляющей напряженности электрического поля в канале. При Uси= Екрlподвижность носителей заряда в канале уменьшается в 2 раза. Для дырок в Si Екр=1.2·104 В/см , для электронов Екр=0.8·104 В/см. Расчет по (2.7) справедлив при  . (2.8).значение Uси. нас, полученное по (2.8), и Uси. нас, полученное при условии  будет различаться. Расчет по (2.7) следует проводить до максимального значения Iс нас”0”. Полученное при этом токе Uси и следует считать точным значением Uси.нас.На пологом участке ВАХ, т.е. при  для расчета тока можно использовать следующую аппроксимацию :  (2.9)где Iс. нас”o” – ток стока при  ; lотс – дли части канала вблизи стока, где мал заряд подвижных носителей и им при расчете можно пренебречь (рис.2.5).Расчет lотс проводят по ф-ле:  (2.10)где =0,2; =0,6 – подгоночные параметры.  Температурное изменение статических характеристик определяется зависимостями подвижности и концентрации уровня Ферми (разности работы выхода) от температуры. Для Si (T) в диапазоне от –85 до 125 оС апроксимируется выражением  ,где n2 при ориентации пластины на плоскости(100); n1 при ориентации пластины на плоскости(111). В ф-лах (2.7)-(2.10) все значения напряжений на стоке и затворе, потенциала уровня Ферми, удельного объемного заряда следует брать по модулю. Расчет зависимостей тока стока от Uси следует произвести для нескольких Uзв том диапазоне токов и напряжений, когда задана крутизна или внутреннее сопротивление МДП-транзистора. Расчет производится для максимальных и минимальных Т заданного диапазона, а также при комнатной. По результатам расчетам построить выходные статические х-ки при различных Т, построить х-ку передачи Ic=f(Uси) при различных Т. для каждой из х-ик найти свое значение крутизны и сравнить с заданным. Если задание не выполнено увеличить ширину канала, либо уменьшить длину канала, либо скорректировать другие параметры. Из построенных х-ик найти напряжение на затворе, при котором температурный коэффициент тока равен 0. 2.7.Расчеткрутизныпередаточнойхарактеристики. 1) Расчет крутизны передаточной х-ки.  , то  при Uси=const (2.11) При :  (2.12) По ф-лам (2.11)-(2.12) рассчитать и построить зависимости S=f(Uси) для нескольких значений Uз . Также рассчитать для комнатной температуры.Расчет сопротивления сток-исток в открытом состоянии. На линейном участке выходной х-ки:  (2.13)По (2.13) рассчитать для 3-х температур. Если задание не выполнено, то ширину, длину канала, либо скорректировать другие параметры. 2) Расчет активной составляющей выходной проводимости На крутом участке выходной х-ки:  (2.13) На пологом участке можно рассчитать так:  (2.14)Используя это соотношение, провести расчет зависимости активной составляющей выходной проводимости от Uси при 3-х разных температурах. Значение lотс брать из ранее рассчитанного, результат в виде графиков. 2.8. Частотные свойства. Частотные свойствава МДП-транзистора определяется в первом приближении постоянной времени перезаряда входной емкости, т.е. емкости в цепи затвор-исток. На крутом участке:  ;  Граничная частота:  2.9. Расчет начального тока стока. Это ток Iси при Uзи=0 и при напряжении Uси равном или превышающем напряжение насыщения, т.е. это обратный ток стокового перехода. Расчет обратного тока следует проводить по формулам (1.11),(1.14),(1.15) при заданном напряжении на стоке и при разных температурах. 4. Расчет полевого транзистора с изолированным затвором (МДП-транзистор) со встроенным каналом. Рис 4.1. Структура n-канального МДП-тр-ра со встроенным каналом. затвор; 2- слой диэлектрика под затвором; 3- сильно легированная область стока; 4-канал; 5- сильно легированная область истока; 6- подложка. Канал – тонкий, сравнительно низкоомный слой п/п другого типа по сравнению с подложкой, расположен между стоком и истоком. Обычно его получают методом ионной имплантации примесей в подожку, толщина слоя а=0.1…-.5 мкм. МДП-тр-ор со встроенным каналом – нормально открытый прибор. Может работать в 2-х режимах: в режиме обеднения (основной режим); режим обогащения. Состояние приповерхностной области п/п определяется эффективным напряжением между затвором и истоком.  (4.1).где Uзи – напряжение на затворе;  - напряжение плоских зон.В (4.1) Uпл.з надо брать со своим знаком (для n-канального тр-ра ”-”). При работе в режиме обеднения уменьшение тока в канале связано с уменьшением толщины канала под действием Uзи.эфф и напряжением между подложкой и истоком. Эффективная толщина канала d(x) (рис.4.3) в сечении, удаленном на расстоянии x от истока.  ,где а - толщина канала; d1(x) – толщина обедненной области в приповерхностной области п/п под затвором, возникающая из-за действия напряжения Uзи.эфф , d2(x) – толщина обедненной области p-n-перехода канал-подложка, приходящаяся на область канала и обусловленная действием Uри. Для толщины канала  (4.2)где Nд – концентрация примесей в канале, NА – концентрация примесей в подложке, U(x) – падение напряжения на расстоянии x от стока, кон – контактная разность потенциалов перехода канал-подложка. Рис.4.3. Уменьшение толщины канала из-за действия напряжения Uзи.эфф ,Uси ,Uпи в режиме обеднения. Рассмотрим особенности управления толщиной канала. Большая частьUзи. падает на диэлектрике под затвором и малая часть (Uзи 2F) управляет состоянием приповерхностной области под затвором. Рост Uзи (по модулю) ведет к появлению инверсного слоя под затвором у поверхности. После появления инверсии толщина обедненной области перестают расти, т.к. S2F и практически не меняется(в условиях инверсии малое изменение поверхностного потенциала ведет к большому изменению заряда в инверсном слое). Уменьшается Iс до 0, т.е. транзистор можно закрыть только обратным напряжением Uпи . Если тр-ор элемент ИС и используется дополнительный источник питания Uпи надо конструировать так, чтобы Uзи. отс < Uзи. инв . Под напряжением отсечки понимают такое Uзи , при котором обедненная область достигает дна канала. Uзи.инв численно равноUзи.пор (см п.2.3). При работе в режиме обогащения, т.е. при Uзи.эфф >0 в приповерхностной области создается обогащенная основными носителями заряда слой с низким удельным сопротивлением, обеспечив проводимость канала. 4.2. Выбор концентрации примесей в канале, толщины канала и расчет напряжения смещения. Напряжение на затворе, соответствующее смыканию обедненной под затвором и обедненной области под? Обратного напряжения Uпи можно найти из (4.2) положив d(x)=0 иU(x)=0. Если подложка высокоомная  , Uпл.з берется со своим знаком.Считая канал однородно легированным рассчитать и построить Uзи.отс =f(Nд) в диапазоне 51015…51016 см-3 при разных толщинах канала. Необходимо построить зависимость Uпорог от концентрации примесей для 3-х Т. Из построенных зависимостей, учитывая заданные значения, напряжение отсечки и пороговое напряжение, выбирается необходимая толщина канала и концентрация примесей в нем. Напряжение отсечки связано с напряжением на стоке, на котором происходит насыщение тока стока и  .4.3. Выбор длины канала и диэлектрика под затвором МДП-транзистора со встроенным каналом. Выбор длины канала. Длина обычно 1.5…4 мкм, минимальное значение ограниченно технологией. Для тр-ов с длинным каналом l<<aсправедлив расчет в одномерном приближении, т.е. толщина канала мало изменяется на его длине. Выбор диэлектрика. Диэлектриком в Si тр-рах служит SiO2 толщиной 60…100 нм. Использование более толстых слоев ведет к росту падения напряжения на нем. С другой стороны, слои SiO2 малой толщины, имеют низкое пробивное напряжение. 4.4. Определение ширины канала. В 1-ом приближении (4.3),где S – заданная крутизна характеристике передачи; п – подвижность носителей заряда в канале. Следует учитоваь зависимость п от Nд в канале, с учетом разной температуры. 4.5. Расчет выходных статических характеристик МДП-транзистора со встроенным каналом. Э  та зависимость Ic=f(Uси) Uзи=const В режиме обеднения на крутом участке ВАХ:   (4.4) Следует подставить Uзи , Uпл.з , Uпи , Uси по модулю. Расчет по (4.4) справедлив при Uси < Uси.нас , напряжение Uзи должно соответствовать режиму обеднения и быть ограниченно снизу напряжением плоских зон, а сверху напряжением инверсии. Связь между максимальным напряжением на затворе, максимальной толщиной обедненной области и концентраций примесей в канале определяется соотношением:  , где  При работе в режиме обогащения для Ic используется соотношение:   (4.5).Подставить Uзи , Uпл.з , Uпи , Uси абсолютные значения. Расчет Ic=f(Uси) провести для нескольких значений Uзи в тех допустимых диапазонах токов и напряжений, в которых задана крутизна. Учесть значение температуры. Расчет выходных статич. хар. По результатам расчета построить выходную хар-ку, х-ку передачи. Для х-ки передачи найти значение крутизны и сравнить с заданным. Если задание не выполнено, следует увеличить ширину канала, либо уменьшить длину, либо корректироровать другие параметры. 5. Расчет полевого транзистора с барьером Шоттки под затвором. Канал получают эпитаксиальным наращиванием. Барьером Шоттки называют потенциальный барьер в п/п около контакта Ме-п/п (рис.5.2), удолетворяюший условию (2…3)kT<qкон <qF , где qкон - высота барьера Шоттки , qF - энергия уровня Ферми, отсчитываемая от середины запрещенной зоны qкон =АМ – АП . На поверхности п/п всегда слой оксида 2-7 нм, есть на границе раздела оксид- п/п и оксид-Ме дефекты, соответствующие локальные поверхностные состояния, энергетические уровни которых попадают в запрещенною зону п/п или диэлектрика. В зависимости от положения энергетических уровней относительно уровня Ферми они могут быть в заряженной или нейтральном состоянии. Это означает, что конечное значение высоты потенциального барьера qкон будет определяться суммарным действием разных работ выхода Ме-п/п и поверхностным состоянием. Ориентировочные значения высоты барьера Шоттки при термическом испарении Ме на п/п.
5.2. Расчет тока затвора. Можно определить плотность тока через барьер (5.1),где AR – постоянная Ричардсона, U – напряжение приложенное между затвором и истоком (положительное при прямом включении контакта Ме-п/п и отрицательном при обратном). Для Si AR=260 А/(см2К2) при ориентации подложки на плоскости (111) и AR=250 А/(см2К2) при(100). Для GaAs AR=8,7 А/(см2К2). По формуле (5.1) произвести расчет обратной ветви при комнатной Т. 5.3 Расчет напряжения насыщения. ПТШ работает в режиме обогащения. Толщина канала W зависит от толщины обедненного слоя на контакте Ме-п/п, W = a - , где а – толщина эпитаксиального слоя. Толщина обедненного слоя для однородно легированного канала (5.2).Напряжение на затворе, при котором обедненная область достигает дна канала, называется напряжением отсечки (Uзи.отс), при напряжение на стоке, равном нулю, Uзи.отс получается из (5.2) заменной на а :  (5.3).Напряжение отсечки связанно с напряжением на стоке, при котором при котором происходит насыщение и напряжение на затворе можно выразить соотношением:  (5.4).Из (5.4) можно найти  для заданных  и  .5.4. Определение длины и ширины канала и концентрации примиси в канале. В условиях серийного производства длина lопределяется технологией фотолитографии, т. е. 3-4 мкм. Толщину а обычно выбирают в 3-4 раза меньше длины канала. Концентрацию примеси в канале можно найти из (5.4). ширину канала в первом приближении находится из соотношения:  , где s – заданная крутизна х-ки; - подвижность носителей в канале.5.5. Расчет выходной статической характеристики. На крутом участке:  (5.5).Расчет справедлив при Uси.отс Uси При Uси.отс Uси считаемIc =const.  .Температурная зависимость определяет подвижность носителей заряда в канале. Расчет выходных хар-ик следует проводить при разных напряжениях на затворе при максимальной и минимальной температуре. По результатам расчета построить выходные статические х-ки, а также х-ку передачи. Х-ку передачи построить при напряжении на стоке больше напряжения насыщения, причем, при разной температуре. Графическим путем по х-ки передачи определить крутизну х-ки при нулевом напряжении на затворе. 5.6. Расчет малосигнальных параметров. Расчет крутизны х-ки. На крутом участке выходной статической х-ки крутизна может быть найдена дифференцированием по Uзи выражения (5.5):  при Uси=const (5.6),Максимальное значение S при =0 , Uси.нас = Uси : (5.7).В отличии от МДП с индуцированным каналом, у которого длина канала меньше длины затвора и определяется расстоянием м-ду стоком и истоком, у ПТШ под затвором длина канала и затвора равны. Контакты стока и истока располагаются как можно ближе к затвору, но при этом все же есть сопротивление в цепи истока Rи и стока Rс . На х-ки транзистора сильно влияет Rи . Для уменьшения Rи и Rс области п/п под истоком и стоком сильно легируют, а участки длиной r, расположенные между сильнолегированными областями под истоком и каналом делают как можно короче (рис.5.3). современная технология позволяет 2-3 мкм.  С учетом Rи :  (5.8),где  ; Ic– заданный ток стока, А – площадь затвора, J(U) – плотность тока через барьер Шоттки.Рассчитав S’max при максимальной температуре, сравнить с заданным. Если задание не выполнено, следует увеличить ширину канала, либо уменьшить длину, либо скорректироровать другие параметры. По (5.6) рассчитать зависимость S(Uси) для нескольких значений Uзи, учитывая, что максимальное значение крутизны определяется по (5.7). Рассчитать для 3-х Т. Расчет сопротивления сток-исток в открытом состоянии транзистора.На крутом участке Uси.нас Uси
|
(5.9).
;