Расчет МДП-транзистора с индуцированным каналом
Оглавление
2. Расчет МДП-транзистора с индуцированным каналом
1. Основные сведения
Упрощенная структура МДП-транзистора с n-каналом, сформированного на подложке p-типа электропроводности, показана на рисунке 1.
Транзистор состоит из МДП-структуры, двух сильнолегированных областей противоположного типа электропроводности по сравнению с электропроводностью подложки и электродов истока и стока. При напряжении на затворе, превышающем пороговое напряжение (), в приповерхностной области полупроводника под затвором образуется индуцированный электрическим полем затвора инверсный слой, соединяющий области истока и стока. Если подано напряжение между стоком и истоком, то по инверсному слою, как по каналу, движутся основные для канала носители заряда, т.е. проходит ток стока.
2. Расчет МДП-транзистора с индуцированным каналом
I. Выбор длины канала и диэлектрика под затвором транзистора:
а) выбор диэлектрика под затвором:
В качестве диэлектрика для GaAs выбираем Si3N4, т.к. он обладает довольно высокой электрической прочностью, а также образует сравнительно небольшую плотность поверхностных состояний.
б) определение толщины диэлектрика под затвором:
Слой диэлектрика под затвором желательно делать тоньше, чтобы уменьшить пороговое напряжение и повысить крутизну передаточной характеристики. С учётом запаса прочности имеем выражение:
В, => нм
в) выбор длины канала:
Минимальную длину канала длинноканального транзистора можно определить из соотношения:
,
где - глубина залегания p-n-переходов истока и стока, - толщина слоя диэлектрика под затвором, и - толщины p-n-переходов истока и стока, - коэффициент ( мкм-1/3).
Толщину p-n-переходов истока и стока рассчитаем в приближении резкого несимметричного p-n-перехода:
,
где В, , ,
В
мкм
мкм
мкм
Результаты вычислений сведем в таблицу:
|
, мкм |
, см-3 |
, см-3 |
, см-3 |
, В |
, мкм |
, мкм |
, мкм |
, мкм |
|
0,16 |
107 |
1016 |
1017 |
1,102 |
1,6 |
0,36 |
0,2 |
4,29 |
Данный выбор концентраций обусловлен тем, что для вырождения полупроводника должны выполняться условия см-3 и см-3. С другой стороны при уменьшении или при увеличении происходит резкое увеличение длины канала (более 5 мкм). Поэтому и были выбраны такие значения концентраций. Глубина перехода выбрана исходя из тех же соображений.
II. Выбор удельного сопротивления подложки:
Удельное сопротивление полупроводника определяется концентрацией введенных в него примесей. В нашем случае см-3 => Ом·см. Удельное сопротивление подложки определяет ряд важных параметров
МДП-транзистора (максимальное напряжение между стоком и истоком и пороговое напряжение).
Максимально допустимое напряжение между стоком и истоком определяется минимальным из напряжений: пробивным напряжением стокового перехода или напряжением смыкания областей объемного заряда стокового и истокового переходов.
а) напряжение смыкания стокового и истокового переходов:
Напряжение смыкания стокового и истокового переходов для однородно легированной подложки можно оценить, используя соотношение:
,
где - длина канала, которую принимаем равной минимальной длине . Пример расчета:
В - при см-3
Результаты вычислений сведем в таблицу:
|
, см-3 |
1014 |
1015 |
1016 |
1017 |
|
, В |
32,3 |
70,1 |
152,3 |
330,8 |
б) пробивное напряжение стокового p-n-перехода:
Пробой стокового p-n-перехода имеет лавинный характер и определяется по эмпирическому соотношению:
В –
намного больше, чем напряжение смыкания p-n-переходов.
Скорректируем значение пробивного напряжения, считая искривленные участки на краях маски цилиндрическими, а на углах - сферическими:
Результаты вычислений сведем в таблицу:
|
, см-3 |
1014 |
1015 |
1016 |
1017 |
|
, В |
293,4 |
88,9 |
26,1 |
7,2 |
|
, В |
152,2 |
61,4 |
25,3 |
10,8 |
Пример расчета:
для см-3: В
В
Рис.2. Зависимость максимальных напряжений на стоке от концентрации примесей.
Исходя из найденной ранее концентрации примесей см-3, имеем наименьшее из полученных напряжений В, что удовлетворяет условию задания (В).
III. Расчет порогового напряжения:
Пороговое напряжение МДП-транзистора с индуцированным каналом - это такое напряжение на затворе относительно истока, при котором в канале появляется заметный ток стока и выполняется условие начала сильной инверсии, т.е. поверхностная концентрация неосновных носителей заряда в полупроводнике под затвором становится равной концентрации примесей.
Пороговое напряжение, когда исток закорочен с подложкой, можно рассчитать по формуле:
- эффективный удельный поверхностный заряд в диэлектрике, - удельный заряд ионизированных примесей в обедненной области подложки, - удельная емкость слоя диэлектрика единичной площади под затвором, - контактная разность потенциалов между электродом затвора и подложкой, - потенциал, соответствующий положению уровня Ферми в подложке, отсчитываемый от середины запрещенной зоны.
Заряд ионизированных примесей определяется соотношением:
,
где - толщина обедненной области под инверсным слоем при .
Контактная разность потенциалов между электродом затвора и подложкой находится из соотношения:
.
Пример расчета:
В - для см-3
Кл/см2
В
В
В качестве металла электрода была выбрана платина (Pt), т.к. она имеет наибольшую работу выхода электронов, что увеличивает пороговое напряжение.
Результаты вычислений сведем в таблицу:
|
, см-3 |
, В |
, см-3 |
, В |
Металл электродов |
, эВ |
, В |
|
1011 |
0,65 |
0,5·10-8 |
2,08 |
Al |
4,1 |
0,88 |
|
1012 |
0,71 |
0,6·10-8 |
2,06 |
Ni |
4,5 |
1,28 |
|
1013 |
0,79 |
0,7·10-8 |
2,04 |
Cu |
4,4 |
1,18 |
|
1014 |
0,92 |
0,8·10-8 |
2,02 |
Ag |
4,3 |
1,08 |
|
1015 |
1,22 |
0,9·10-8 |
2,00 |
Au |
4,7 |
1,48 |
|
1016 |
2,08 |
10-8 |
1,98 |
Pt |
5,3 |
2,08 |
В результате расчетов было получено значение максимальное значение В при см-3. Для того, чтобы получить В, требуется ввести новый технологический процесс, а именно имплантацию в приповерхностный слой отрицательных ионов акцепторной примеси с зарядом Кл/см-2, которая позволит увеличить пороговое напряжение.
В итоге получаем следующие параметры:
|
, см-3 |
, см-3 |
, эВ |
, мкм |
, Ф/см2 |
T, K |
, В |
|
107 |
1016 |
1,43 |
0,16 |
5·10-8 |
0 |
0,52 |
Страницы: 1, 2
