Электрические характеристики кремниевого интегрального n-канального МДП транзистора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский университет "МИЭТ"

Курсовая работа

по предмету Вакуумная и плазменная электроника

Расчёт электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП транзистора

Выполнил: Баховский В.В.

группа ЭКТ-44

Проверил: Красюков А.В.

Москва 2012

Содержание

1. Исходные данные. Задание

2. Структура и топология МДП-транзистора

3. Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора

4. Расчёт ВАХ в рамках идеализированной модели

5. Расчёт ВАХ с учётом неоднородности ОПЗ под затвором

6. Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры

7. Факультативное задание: Расчёт и корректировка порогового напряжения с учётом эффектов короткого и узкого канала

8. Факультативное задание: Расчёт реальной ВАХ, зависящей от

9. Факультативное задание: Расчёт параметров эквивалентной схемы



1. Исходные данные. Задание

Таблица - Исходные данные. Вариант №__

1	Материал затвора	N+-Si*
2	Длина канала L, мкм	3
3	Ширина канала W, мкм	50
4	Толщина подзатворного диэлектрика (SiO2) d, мкм	0.04
5	Концентрация примеси в подложке , см-3	1*1016
6	Подвижность электронов в канале n, см 2/В.с	750
7	Плотность поверхностных состояний , см-2	3*1010
8	Концентрация примеси в n+- слоях, см-3	1020
9	Глубина залегания стока , мкм	0.8

Общие данные

e = 1.61*10^-19 Кл - заряд электрона,

е₀ = 8.85*10^-14 Ф/см диэлектрическая проницаемость вакуума,

е = 11.9 - относительная проницаемость Si,

е_d = 3.4 - относительная проницаемость диэлектрика,

Е_s = 1.5*10⁴ В/см - продольное электрическое поле в канале,

V_t = 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.

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 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.

6. Построить выходные ВАХ транзистора в рамках идеальной и реальной моделей при 0-5 В, = 4 В, = 0.

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

- Реальная ВАХ при 0-5 В, = 4 В, = 0

- Реальная ВАХ при 0-5 В, = 4 В, = -2В

10. Рассчитать параметры эквивалентной схемы.

2. Структура и топология МДП-транзистора

В соответствии с заданием, транзистор имеет следующие характерные размеры: L=3 мкм, W=50 мкм, d=0.08 мкм, Xj=0.4 мкм. Масштабный эскиз структуры показан на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 - Структура исследуемого МДП-транзистора

3. Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора

При пороговое напряжение n-МДП-транзистора рассчитывается по формуле 1.1:

(1.1)

На основе исходных данных рассчитываем компоненты для 1.1:

-0.905В

=см

 Кл/смІ.

= Кл/смІ.

=Ф/смІ

Таким образом, предположим, что при заданных исходных данных обеспечивается пороговое напряжение, 0.364B.

Для обеспечения величины порогового напряжения Vt0 =--+1 В необходимо увеличить его на DVt =+1 - (-1.322) = +0,636 В. Если затвор сделать из р+-Si, то получимVt0 =--_.364+1.12=1.484В. Остается добавить DVt =+1-1.484=-0.484В. Так как эта величина отрицательная, то под затвором необходимо выполнить подлегирование поверхности примесью n-типа (мелкими донорами) на глубину

Dx =--0,1*Xj=0.08 мкм.

Необходимая доза подлегирования составляет

= 2.26*1011 см-2,

Cредняя концентрация акцепторов в подзатворном слое

D/Дx= 2.83*1016 см-3.



4. Расчёт ВАХ в рамках идеализированной модели

мдп транзистор вах затвор

В этом приближении действие подложки не учитывается, а толщина ОПЗ под затвором считается постоянной и равной . ВАХ (1.2):

(1.2)

где

;

= 9.4*10-4. (1.3)

Семейство идеальных ВАХ МДП-транзистора показано на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Семейство ВАХ МДП-транзистора в рамках идеальной модели

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:

= 3В.

Ток насыщения IDS определяется из выражения (1.4) при VDS=VDSS (1.8):

(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,

= 0.905В - (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 1.5 - ВАХ транзистора, рассчитанные в рамках идеальной и реальной моделей при UBS=0.

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



Параметры эквивалентной схемы:

- RS объёмное сопротивление истока

- RD объёмное сопротивление стока

- RB объёмное сопротивление подложки

- RG объёмное сопротивление затвора

- CGD паразитная ёмкость затвор-сток

- CG ёмкость затвора

- Cbs барьерная ёмкость подложка-исток

- Cbd диффузионная ёмкость подложка-сток

- G выходная проводимость

- gS крутизна

- gb крутизна по подложке

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

8. Факультативное задание: Расчёт реальной ВАХ, зависящей от

Расчет реальной ВАХ при UBS=-2В проводится аналогично разделу 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.

Привести рисунок аналогичный рисунку 1.5 с учетом данных данного раздела - то есть 3 графика. Подписать графики буквами а, б, в

- а - идеальная модель, UBS=0

- б - реальная модель, UBS=0B

- в - реальная модель, UBS=-2B

Рисунок 1.7 - ВАХ транзистора, рассчитанные при Ugs=4В с учетом различных приближений



9. Факультативное задание: Расчёт параметров эквивалентной схемы

Рассчитаем малосигнальные параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке рис.1.6:

Крутизна ВАХ:

=(1400-600)/(4-3)=800 .

Выходная проводимость:

=800/3-0.75=356 .

Собственный коэффициент усиления по напряжению:

=800/3562,25

Размещено на Allbest.ru