Технология изготовления МДП-структур
Вакуумная и плазменная электроника Вариант №21
Выполнил: Чекамеев И. Г. группа ЭКТ-44 Проверила: Титова И. Н.
МОСКВА Содержание
Расчёт электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП транзистора 1.1 Исходные данные. Задание Исходные данные. Вариант №21
ОБЩИЕ ДАННЫЕ e = 1.62*10-19 Кл – заряд электрона, ε0 = 8.85*10-14 Ф/см диэлектрическая проницаемость вакуума, ε = 11.9 – относительная проницаемость Si, εd = 3.4 – относительная проницаемость диэлектрика, Еs = 1.5*104 В/см – продольное электрическое поле в канале, Vt = 1 В – пороговое напряжение.
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.
Рисунок 1.1 – Структура исследуемого МДП-транзистора Масштабная топология прибора показана на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Топология исследуемого МДП-транзистора 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:
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. 1.5Расчёт 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:
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.
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 Рассчитаем малосигнальные параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке по рис.1.6:
Крутизна ВАХ: =(960-830)/(4-3)=130 . Выходная проводимость: =130/3-0.75=57 . Собственный коэффициент усиления по напряжению: =130/57 2,28 Вывод: используя реальную ВАХ транзистора в отсутствие напряжения подложка-исток, провели расчет малосигнальных параметров эквивалентной схемы МДП-транзистора.
Популярное: Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1195)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |