Команда
Контакти
Про нас

    Головна сторінка


Розрахунок і проектування МДП-транзистора





Скачати 46.14 Kb.
Дата конвертації02.12.2019
Розмір46.14 Kb.
Типкурсова робота

зміст

ВСТУП. 2

1СВЕДЕНІЯ І ПОНЯТТЯ Про МДП-транзисторах .. 4

1.1Свойства МДП-структури (метал-діелектрик -полупроводнік). 4

1.2Тіпи і пристрій польових транзисторів. 7

1.3Прінціп роботи МДП-транзистора. 9

1.4Вибор знаків напружень в МДП-транзисторі. 11

1.5Характерістікі МДП-транзистора в області плавного каналу. 14

1.6Характерістікі МДП-транзистора в області відсічення. 19

1.7Вліяніе типу каналу на вольт-амперні характеристики МДП-транзисторів 24

1.8 Еквівалентна схема і швидкодія МДП-транзистора. 26

2РАСЧЕТ ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВІ арсеніду галію .. 29

2.1Основние відомості про арсеніді галію. 29

2.2Основние параметри МДП-транзистора. 31

2.3Расчет параметрів МДП-транзистора. 31

ВИСНОВКИ .. 36

Список використаної літератури ............................................................... 36


ВСТУП

Серед численних різновидів польових транзисторів, можливо, виділити два основні класи: польові транзистори з затвором у вигляді pn переходу і польові транзистори з затвором, ізольованим від робочого напівпровідникового обсягу діелектриком. Прилади цього класу часто так само називають МДП-транзисторами (від словосполучення метал-діелектрик-напівпровідник) і МОП транзисторами (від словосполучення метал-окисел - напівпровідник), оскільки в якості діелектрика найчастіше використовується окис кремнію.

Основною особливістю польових транзисторів, в порівнянні з біполярними, є їх високий вхідний опір, яке може досягати 10 9 - 10 10 Ом. Таким чином, ці прилади можна розглядати як керовані потенціалом, що дозволяє на їх основі створити схеми з надзвичайно низьким споживанням енергії в статичному режимі. Останнє особливо істотно для електронних статичних мікросхем пам'яті з великою кількістю запам'ятовуючих осередків.

Так само як і біполярні польові транзистори можуть працювати в ключовому режимі, однак падіння напруги на них у включеному стані досить значно, тому ефективність їх роботи в потужних схемах менше, ніж у біполярних приладів.

Польові транзистори можуть мати як p, так і n управління якими здійснюється за різної полярності на затворах. Це властивість комплементарності розширює можливості при конструюванні схем і широко використовується при створенні запам'ятовуючих осередків і цифрових схем на основі МДП транзисторів (CMOS схеми).

Польові транзистори відносяться до приладів униполярного типу, це означає, що принцип їх дії заснований на дрейфі основних носіїв заряду. Остання обставина значно спрощує їх аналіз в порівнянні з біполярними приладами, оскільки, в першому наближенні, можливо, знехтувати дифузійними струмами, неосновними носіями заряду і їх рекомбінацією [9].


1 ВІДОМОСТІ І ПОНЯТТЯ Про МДП-транзисторах

1.1 Властивості МДП-структури (метал-діелектрик-напівпровідник)

В основі роботи польових транзисторів з ізольованим затвором лежать властивості МДП-структури (рис. 1.1).

Малюнок 1.1 - Приклад МДП-структури.

По суті ця структура являє плоский конденсатор однієї з обкладок якого служить метал (затвор), другий напівпровідник. Особливість такого МДП конденсатора по відношенню до класичного МДМ конденсатору в тому, що в обсязі напівпровідника заряд може бути пов'язаний з носіями різної фізичної природи і різної полярності: вільними електронами і дірками, зарядженими позитивно іонізований донор, зарядженими негативно іонізованних акцепторами, а так само зарядженими дефектами . У МДП-структуре на відміну від pn переходу існує гетерограніцамі розділяє два середовища з різною структурою це, наприклад, межа, що розділяє напівпровідник і його окисле або інший діелектрик або напівпровідник і повітря (вакуум). На вільної кордоні напівпровідника є велика кількість обірваних зв'язків прагнуть захопити заряд з обсягу напівпровідника, а так само зв'язків вступили в реакцію з сооседней середовищем і пасивувати цим середовищем, крім того, на поверхні можуть перебувати сторонні домішкові атоми і іони. Таким чином, на вільної поверхні і гетеропереходе метал-діелектрик вже в початковому стані може перебувати деякий заряд, який індукує рівний йому за величиною і протилежний за знаком заряд в об'ємі напівпровідника [13].

Якщо зарядити одну з обкладок МДП конденсатора - затвор, то на другий - напівпровідникової обкладанні повинен з'явитися заряд рівний по величині і протилежний за знаком, який буде пов'язаний з поверхневими станами, іонізованих атомів домішки і вільними носіями заряду.

Малюнок 1.2 - Зміна поверхневої провідності полупроводнка в МДП структурі:

1 - напівпровідник n типу,

2 - власний напівпровідник,

3 - напівпровідник p типу.

Якщо індукований зовнішнім полем заряд на напівпровідниковій обкладці перевищує зміна заряду на поверхневих станах, то в приповерхневої області напівпровідника відбувається зміна концентрації вільних носіїв заряду, що супроводжується зміною поверхневої провідності (див. Рис. 1.2) і відповідно протікає вздовж поверхні струму, у разі якщо є спрямоване уздовж поверхні поле, як це показано на вставці рис. 1.2 [5].

У тій приповерхностной напівпровідникової області, де існує електричне поле, є збіднена носіями область просторового заряду, аналогічна за властивостями області ОПЗ pn переходу, що працює як діелектрик. При зміні потенціалу на металевій (затворі) обкладанні МДП конденсатора буде змінюватися заряд ОПЗ і відповідно ширина збідненого області. При цьому буде змінюватися ємність МДП-структури. Залежності ємності МДП-структур від напруги показані на рис. 1.3.

Малюнок 1.3 - Зміна ємності МДП-структур від напруги на затворі:

1 - напівпровідник n типу,

2 - власний напівпровідник,

3 - напівпровідник p типу.

Ємність МДП-структури можна розглядати як що складається з двох послідовно включених ємностей: ємності діелектрика - С д і ємності шару просторового заряду в напівпровіднику З пп.


(1.1)

Якщо С д >> З пп, то можна з хорошим наближення вважати, що ємність структури визначається ємність ОПЗ, тобто С = С пп.

Якщо С пп >> З д, то наближено можна вважати, що С = С д, тому максимальне значення ємності на рис. 1.3 обмежена лінією С = С д.

Слід звернути увагу на те, що на всіх кривих рис. 1.2 і рис. 1.3 є точки мінімуму. Це точки відповідають випадку мінімальної поверхневої провідності, яка має місце, коли на поверхні концентрації електронів і дірок близькі до своєї зрілості й дорівнюють один одному, тоді збільшення потенціалу затвора щодо значення відповідного точці мінімуму має збагачувати поверхню дірками, а зменшення потенціалу щодо потенціалу точки мінімуму має збагачувати поверхню дірками. При цьому відповідно з різних сторін від точки мінімуму повинен спостерігатися різний тип провідності в приповерхневої області [4].

1.2 Типи і пристрій польових транзисторів

Польові, або уніполярні, транзистори в якості основного фізичного принципу використовують ефект поля. На відміну від біполярних транзисторів, у яких обидва типи носіїв, як основні, так і неосновні, є відповідальними за транзисторний ефект, в польових транзисторах для реалізації транзисторного ефекту застосовується тільки один тип носіїв. З цієї причини польові транзистори називають уніполярними. Залежно від умов реалізації ефекту поля польові транзистори діляться на два класи: польові транзистори з ізольованим затвором і польові транзистори з затвором у вигляді pn-переходу [8].

До польових транзисторів з ізольованим затвором належать МДП-транзистори, МНОП-елементи пам'яті, МДП-транзистори з плаваючим затвором, прилади із зарядним зв'язком (ПЗС-структури), МДП-фотоприемники. До польових транзисторів із затвором у вигляді pn-переходу відносяться транзистори з затвором у вигляді бар'єру Шотткі, з затвором у вигляді звичайного pn-переходу і з затвором у вигляді гетероперехода. Відзначимо, що в якості дискретних елементів розроблені і мають застосування МДП-транзистори і транзистори з затвором у вигляді звичайного pn-переходу. Решта типів польових транзисторів використовуються тільки в інтегральному виконанні як фрагменти інтегральних схем.

Розглянемо на прикладі МДП-транзистора основні елементи структури польових транзисторів. На рис. 1.4 приведена топологія МДП-транзистора [5].

Малюнок 1.4 - Топологія і основні елементи МДП-транзистора.

Термін «МДП-транзистор» використовується для позначення польових транзисторів, в яких керуючий електрод - затвор відділений від активної області польового транзистора діелектричної прошарком - ізолятором. Основним елементом для цих транзисторів є структура метал-діелектрик-напівпровідник. З цієї причини в назві транзистора використовується абревіатура МДП. Монокристалічний напівпровідник n- або p-типу, на якому виготовляється МДП-транзистор, отримав назву підкладки. Дві сильнолегованих області протилежної з підкладкою типу провідності отримали назви витоки стік. Область напівпровідникової підкладки, яка перебуває під затвором між витоком і стоком, називається каналом. Діелектричний шар, розташований між затвором і каналом, отримав назву подзатворного діелектрика. Як напівпровідникової підкладки в більшості МДП-транзисторів використовується GaAsі подзатворного діелектрик. З цієї причини як синонім для МДП-транзисторів застосовується термін «МОП-транзистор». Канал в МДП-транзисторах може бути як індукованим, так і вбудованим [7].

1.3 Принцип роботи МДП-транзистора

Фізичною основою роботи польового транзистора зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник є ефект поля. Ефект поля полягає в тому, що під дією зовнішнього електричного поля змінюється концентрація вільних носіїв заряду в приповерхневої області напівпровідника. У польових приладах зі структурою МДП зовнішнє поле обумовлено прикладеним напругою на металевий електрод - затвор. Залежно від знака і величини прикладеної напруги можуть бути чотири стану області просторового заряду (ОПЗ) напівпровідника - збагачення, збіднення, слабка і сильна інверсія. Польові транзистори в активному режимі можуть працювати тільки в області слабкої або сильної інверсії, тобто. Е. В тому випадку, коли інверсійний канал між витоком і стоком відділений від квазінейтральності обсягу підкладки областю збіднення [11].

Польовий транзистор належить до типу приладів, керованих напругою. Зазвичай електрод витоку є загальним, і щодо його визначаються величина і знак прикладається напруги і струму, що протікає. Напруга на затворі МДП-транзистора позначається V G, на стоці транзистора - V DS, на підкладці - V SS.Струм, що протікає між витоком і стоком, позначається I DS, струм в ланцюзі «затвор - канал» - I G. Для польових транзисторів з ізольованим затвором струм затвора пренебрежимо малий, становить величини пікоампер. З цієї причини потужність, що витрачається на реалізацію транзисторного ефекту в первинному колі, практично нульова [5].

Малюнок 1.5 - МДП-транзистор з індукованим каналом в рівноважних умовах:

а) напруга на затворі відсутня V G = 0;

б) напруга на затворі більше порогового напруги V G> V T


На рис. 1.5 показана схема МДП-транзистора з індукованим p-каналом в рівноважних умовах (V DS = 0) при нульовій напрузі на затворі і при напрузі на затворі вище порогового напруги.

В області інверсії концентрація неосновних носіїв заряду в инверсионном каналі вище, ніж концентрація основних носіїв в об'ємі напівпровідника. Напруга на затворі V G, при якому відбувається формування інверсійного каналу, називається пороговим напругою і позначається V T. Змінюючи величину напруги на затворі V G в області вище порогового напруги, можна змінювати концентрацію вільних носіїв в инверсионном каналі і тим самим модулювати опір каналу R i. Джерело напруги в стокової ланцюга V DS викличе змінюється відповідно до зміни опору каналу R i струм стоку I DS, і тим самим буде реалізований транзисторний ефект. Нагадаємо, що транзисторний ефект полягає в зміні струму або напруги у вторинному ланцюзі, викликаному змінами струму або напруги в первинному ланцюзі. Відзначимо, що струм в ланцюзі «витік - канал - стік» I DS обумовлений тільки одним типом носіїв, тобто дійсно МДП-транзистор є уніполярним приладом. Оскільки області витоку і стоку сильно леговані, то вони не впливають на струм каналу, а тільки забезпечують контакт до області каналу [8].

Таким чином, МДП-транзистор є опором, регульованим зовнішнім напругою. До нього навіть більшою мірою, ніж до біполярним приладів, підходить історичну назву «транзистор», так як слово «transistor» утворено від двох англійських слів - «transfer» і «resistor», що перекладається як «перетворює опір» [16].

1.4 Вибір знаків напружень в МДП-транзисторі

Електрод витоку є загальним і щодо його визначаються величина і знак прикладається напруги і струму, що протікає. Розглянемо на прикладі n-канального МДП-транзистора з індукованим каналом, яким чином вибираються величина і знак напруги на затворі, стоці і підкладці, що забезпечують роботу МДП-транзистора в активному режимі.

Для МДП-транзистора з індукованим n-каналом при нульовій напрузі на затворі V G = 0 канал між витоком і стоком відсутня. Для формування каналу необхідно подати напругу на затвор V G такого знака, щоб на поверхні напівпровідника сформувався інверсійний шар. Для n-канального транзистора (напівпровідникова подложкаp-типу) знак напруги V G в цьому випадку повинен бути позитивним. Напруга на затворі V G, при якому відбувається формування інверсійного каналу, називається пороговим напругою і позначається V T. Отже, величина напруги на затворі V G в активній області повинна бути більше, ніж значення порогового напруги: 0 T G.

Напруга, подану на стік V DS, викликає рух електронів в инверсионном шарі між джерелом і стоком. З точки зору транзисторного ефекту байдуже, в якому напрямку в каналі будуть рухатися носії. Але в той же час напруга V DS, прикладена до стоку, - це напруга, прикладена до стоковому n + -p-переходу. При позитивному знаку V DS> 0 це відповідає зворотному зміщення стокового n + -p-переходу, а при негативному знаку V DS <0 це відповідає прямому зсуву pn-переходу «стік - підкладка». У разі прямого зміщення pn-переходу «стік - підкладка» в ланцюзі стоку буде текти додатково до току каналу ще й великий струм прямосмещенногоp-n-переходу, що утруднить реєстрацію струму каналу.

У разі зворотного зсуву pn-переходу «стік - підкладка» паразитний струм буде складати наноампер і буде дуже малий. Таким чином, знак напруги на стоці V DS потрібно вибирати так, щоб стоковий перехід був зміщений у зворотному напрямку. Для n-канальних транзисторів ця умова відповідає V DS> 0, а для p-канальних транзисторів V DS <0. На рис. 1.6 показана схема p-канального МДП-транзистора в області плавного каналу [6].

Малюнок 1.6 - Схема p-канального МДП-транзистора в області плавного каналу.

Напруга, що подається на підкладку V SS, управляє струмом в каналі через зміну заряду в області збіднення Q B, або, що те ж саме, через зміну граничної напруги V T. Для ефективного збільшення ширини області збіднення, отже, заряду в області збіднення необхідно подавати зворотне зміщення на індукований електронно-дірковий перехід «канал - підкладка». Для n-канальних транзисторів ця умова відповідає негативному знаку напруги на підкладці V SS <0, а для p-канальних транзисторів - позитивного знаку напруги V SS> 0. На рис. 1.7 приведена схема p-канального МДП-транзистора в області плавного каналу при наявності керуючого напруги на підкладці [5].

Малюнок 1.7 - Схема p-канального МДП-транзистора в області плавного каналу при наявності напруги на підкладці.

1.5 Характеристики МДП-транзистора в області плавного каналу

Розглянемо польовий транзистор зі структурою МДП, конфігурація і зонна діаграма якого наведені на рис. 1.8. Координата z спрямована вглиб напівпровідника, y - уздовж по довжині каналу і х - по ширині каналу.

Отримаємо вольт-амперну характеристику такого транзистора при наступних припущеннях:

1. Токи через р-n-переходи витоку, стоку і подзатворного діелектрик дорівнюють нулю.

2. Рухливість електронів μ n постійна по глибині і довжині L инверсионного каналу і не залежить від напруги на затворі V GS і на стоці V DS.

3. Канал плавний, тобто в області каналу нормальна складова електричного поля E z істотно більше тангенциальной Е у [15].


Малюнок 1.8 - Схема МДП-транзистора для розрахунку струмів в області плавного каналу і зонна діаграма в рівноважних умовах

Струм в каналі МДП-транзистора, виготовленого на підкладці р-типу, обумовлений вільними електронами, концентрація яких n (z). Електричне поле Е у обумовлено напругою між витоком і стоком V DS. Відповідно до закону Ома, щільність струму [5] .:

(1.2)

де q - заряд електрона, μ n - рухливість електронів в каналі, V- падіння напруги від витоку до точки каналу з координатами (x, y, z).

Проинтегрируем (1.2) по ширині x і глибині z каналу. Тоді інтеграл в лівій частині (1.2) дає нам повний струм каналу I DS, а для правої частини отримаємо:

(1.3)


величина є повний заряд електронів в каналі на одиницю площі:

тоді:

(1.4)

Знайдемо величину заряду електронів Q n. Для цього запишемо рівняння електронейтральності для зарядів в МДП-транзисторі на одиницю площі у вигляді [3]:

Q m = Q ox + Q n + Q B. (1.5)

Згідно (1.5), заряд на металевому електроді Q m врівноважується сумою зарядів вільних електронів Q n і іонізованих акцепторів Q B в напівпровіднику і вбудованого заряду в оксиді Q ox. [10].


Малюнок 1.9 - Розташування зарядів в МДП-транзисторі.

На рис. 1.9 приведена схема розташування цих зарядів. З визначення геометричній ємності оксиду З ox слід, що повний заряд на металевій обкладанні МДП-конденсатора Q m дорівнює:

Q m = C ox · V ox, (1.6)

де V ox - падіння напруги на Окісна шарі, С ox - питома ємність подзатворного діелектрика.

Оскільки падіння напруги в окисле одно V ox, в напівпровіднику одно поверхневому потенціалу ψs, а повне прикладена до затвора напругу V GS, то:

V GS -Δφ ms = Vox + ψs = Vox + ψs0 + V (y), (1.7)

де Δφ ms - різниця робіт виходу метал - напівпровідник, ψ s0 - величина поверхневого потенціалу в рівноважних умовах, т. е. при напрузі стоку V DS = 0.

З (1.5) - (1.7) слід:

Q n = Q m - Q ox -Q B = C ox [V GS -Δφ mss0 + V (y)] - Q ox - Q B (1.8)

Оскільки в області сильної інверсії при значній зміні напруги на затворі V GS величина поверхневого потенціалу змінюється слабо, будемо надалі вважати її постійною і рівною потенціалу початку області сильної інверсії ψ s0 = 2φ 0. Тому будемо також вважати, що заряд акцепторів Q B не залежить від поверхневого потенціалу. Введемо порогове напруга V Т як напруга на затворі V GS, відповідне відкриття каналу в рівноважних умовах: V t ≡V gss = 2φ 0, V DS = 0).

При цьому Q n (V DS = 0) = 0.

З (1.8) випливає, що [5]:

(1.9)

Тоді з урахуванням (6.8):

Q n = C [V GS -V T -V (y)]. (1.10)

Підставляючи (1.10) в (1.4), розділяючи змінні і провівши інтегрування вздовж каналу при зміні y від 0 до L, а V (y) від 0 до V DS, отримуємо:

(1.11)

Рівняння (1.11) описує вольт-амперну характеристику польового транзистора в області плавного каналу.


1.6 Характеристики МДП-транзистора в області відсічення

Як випливає з рівняння (1.10), у міру зростання напруги витік-стік V DS в каналі може наступити такий момент, коли відбудеться змикання каналу, т. Е. Заряд електронів в каналі в деякій точці стане рівним нулю. Це відповідає умові:

V (y) = V os -VT≡V * DS (1.12)

Оскільки максимальна величина напруги V (y) реалізується на стоці, то змикання каналу, або відсічення, спочатку відбудеться у стоку. Напруга стоку V DS, необхідне для змикання каналу, називається напругою відсічення V * DS. Величина напруги відсічення визначається співвідношенням (1.12). На рис. 1.10 показаний канал, відсічений у стоку [5].

Малюнок 1.10 - Схема p-канального МДП-транзистора при напрузі на стоці, рівному напрузі відсічення

З ростом напруги стоку V DS точка каналу, відповідна умові відсічення (1.12), зсувається від стоку до витоку. У першому наближенні при цьому на ділянці плавного каналу від витоку до точки відсічення падає однакову напругу V * DS = V GS - V T, яке залежить від напруги витік-стік. Ефективна довжина плавного каналу L від витоку до точки відсічення слабо відрізняється від істинної довжини каналу L і зазвичай ΔL = LL «L. Це обумовлює в області відсічення в першому наближенні струм стоку I DS, що не залежить від напруги стоку V DS. На рис. 1.11 показана схема p-канального МДП-транзистора при напрузі на стоці, більшому напруги відсічення. З цього ж малюнка видно, як точка відсічення зміщується від стоку в міру зростання напруги на стоці.

Малюнок 1.11 - Схема p-канального МДП-транзистора при напрузі на стоці, більшому напруги відсічення

Підставивши значення напруги відсічення V * DS з (1.12) в (1.11) замість значення напруги стоку V DS, отримуємо для області відсічення вираз для струму стоку:

(1.13)

Співвідношення (1.13) являє собою запис вольт-амперної характеристики МДП-транзистора в області відсічення. Залежності струму стоку I DS від напруги на затворі V GS називаються зазвичай перехідними характеристиками, а залежно струму стоку I DS від напруги на стоці V DS - прохідними характеристиками транзистора. На рис. 1.12 наведені залежності струму стоку I DS від напруги на стоці V DS для МДП-транзистора при різній напрузі на затворі, розраховані за співвідношенням (1.11) і (1.13) [6].

Малюнок 1.12 - Залежність струму стоку I DS від напруги на стоці V DS для МДП ПТ при різній напрузі на затворі. Гранична напруга V T = 0,1 В. Суцільна лінія - розрахунок по (1.11) і (1.13). Пунктир - розрахунок по (1.17) з урахуванням модуляції довжини каналу

При значних величинах напруги витік-стік і щодо коротких каналах (L = 10 ÷ 20 мкм) в області відсічення спостерігається ефект модуляції довжини каналу. При цьому точка відсічення зміщується до витоку і напруга відсічення V * DS падає на меншу довжину L 'каналу. Це викличе збільшення струму I DS каналу. Величина напруги Δ V, падаюча на ділянці ΔL від стоку відсічення, буде дорівнює:

ΔV (ΔL) = V DS -V * DS = V DS - (V GS -V T). (1.14)

На рис. 1.12 цей ефект модуляції довжини каналу наочно видно.

Оскільки напруга ΔV падає на обратносмещенного pn + -переході, його ширина ΔL буде дорівнює:


(1.15)

Струм каналу дорівнює I DS0, коли напруга витік-стік V DV = V * DS = V GS -V T дорівнює напрузі відсічення і величина ΔL = 0. Позначимо IDS струм стоку при більшій напрузі стоку: V DS> V * DS.

тоді:

I 0DS.L = I DS - (L-ΔL). (1.16)

Таким чином, ВAX МДП-транзистора з урахуванням модуляції довжини каналу прийме наступний вигляд:

(1.17)

Ефект модуляції довжини каналу дуже впливає на прохідні характеристики МДП-транзистора з гранично малими геометричними розмірами, оскільки в цьому випадку величина ΔL порівнянна з довжиною каналу L. На рис. 1.12 пунктиром показані залежності струму стоку від напруги на стоці в області відсічення з урахуванням модуляції довжини каналу [10].


.

Малюнок 1.13 - Залежності:

1 - струму стоку IDS від напруги на затворі V G в області відсіченого каналу;

2 - кореня з струму стоку від напруги на затворі в області відсічення

Відзначимо, що ефект модуляції довжини каналу для польових транзисторів по фізичній природі аналогічний ефекту модуляції ширини бази (ефект Ерлі) для біполярних транзисторів. На вольт-амперних характеристиках транзисторів цей ефект також проявляється аналогічно - в залежності вихідного струму від вихідної напруги.

Як видно з рівняння (1.13), в області відсічення струм стоку I DS квадратично залежить від прикладеної до затвора транзистора напруги V G. На рис. 1.13 показана ця залежність (крива 1) і ця ж залежність, побудована в координатах від напруги V G (крива 2). На практиці екстраполяція прямолінійного ділянки цієї залежності визначає значення порогового напруги [8].


1.7 Вплив типу каналу на вольт-амперні характеристики МДП-транзисторів

Вид вольт-амперної характеристики МДП-транзистора в значній мірі залежить від типу напівпровідникової підкладки і типу инверсионного каналу. У тому випадку, якщо при нульовій напрузі на затворі V G = 0 інверсійний канал відсутній, а в міру збільшення напруги на затворі V G> V T з'являється, такий інверсійний канал називають індукованим. Якщо ж при нульовій напрузі на затворі V G = 0 інверсійний канал уже сформований, такий інверсійний канал називають вбудованим. МДП-транзистори з індукованим каналом при нульовій напрузі на затворі завжди закриті, а МДП-транзистори з вбудованим каналом при нульовій напрузі на затворі завжди відкриті.

Залежність струму стоку I DS від напруги на стоці V DS при різних на-пряжене на затворі V G називають прохідними характеристиками МДП-транзистора, а залежність струму стоку I DS від напруги на затворі V G при різній напрузі на стоці V DS називають перехідними характеристиками МДП -транзістора. У тому випадку якщо напруга на стоці V DS більше, ніж напруга відсічення V * DS, на перехідних характеристиках струм стоку I DS від напруги на стоці V DS не залежить.

На рис. 1.14 наведені вольт-амперні характеристики (прохідні та перехідні) n-канальних і p-канальних МДП-транзисторів з індукованим і вбудованим каналами. Тут же зазначені схемотехнические позначення різних видів МДП-транзисторів. З аналізу цих вольтамперних характеристик можна ще раз отримати уявлення про знаках напруг, що подаються на затвор і стік МДП-транзисторів в активному режимі [9].


Малюнок 1.14 - Вольт-амперні характеристики n-канальних і p-канальних МДП-транзисторів з індукованим і вбудованим каналами.


1.8 Еквівалентна схема і швидкодія МДП-транзистора

Виходячи з загальнофізичної міркувань, МДП-транзистор можна зобразити у вигляді еквівалентної схеми, представленої на рис. 1.15. Тут R вх обумовлено опором подзатворного діелектрика, вхідна ємність С BX - ємністю подзатворного діелектрика і ємністю перекриття затвор - витік. Паразитна ємність С пар обумовлена ємністю перекриттів затвор - стік. Вихідний опір R вих дорівнює опору каналу транзистора і опору легованих областей витоку і стоку. Вихідна ємність С вих визначається ємністю р-n-переходу стоку. Генератор струму i 1 передає ефект посилення в МДП-транзисторі [3].

Малюнок 1.15 - Найпростіша еквівалентна схема МДП-транзистора

Визначимо швидкодію МДП-транзистора виходячи з таких міркувань. Нехай на затвор МДП-транзистора, що працює в області відсічення, так що V gs = V ds = V піт, подано мале змінну напругу ũ = u 0 sin (ω t).

Тоді за рахунок посилення в стокової ланцюга потече струм i 1, рівний:

= S · ũ (1.18)


Одночасно в канал з електрода затвора потече паразитний струм зміщення через геометричну ємність затвора, рівний:

= Й2πfC OX WL (1.19)

З ростом частоти вихідного сигналу f паразитний струм буде зростати і може порівнюватися з струмом каналу за рахунок ефекту посилення. Визначимо граничну частоту роботи МДП-транзистора f = f макс, коли ці струми будуть рівні. Отримуємо з урахуванням (6.22):

(1.20)

Оскільки напруга витік-стік V DS порядку напруги V GS - V T, то, використовуючи визначення дрейфовой швидкості

(1.21)

можна бачити, що гранична частота посилення f макс визначається часом прольоту τ електронів через канал транзистора:

(1.22)

Оцінимо швидкодію транзистора.

Нехай величина рухливості μ n = 500 см 2 / (В · с), довжина каналу L = 10 мкм = 10 -3 см, напруга живлення V піт = 10 В. Підставляючи ці значення в (1.20), отримуємо, що максимальна частота для МДП-транзистора становить величину порядку f макс ≈ 1 ГГц. Зауважимо, що власне швидкодію транзистора обернено пропорційно квадрату довжини инверсионного каналу. Тому для підвищення швидкодії необхідно переходити на субмікронні довжини каналу.


2 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВІ арсеніду галію

2.1 Основні відомості про арсеніді галію

Арсенід галію (GaAs) - хімічна сполука галію і миш'яку. Важливий напівпровідник, третій за масштабами використання в промисловості після кремнію і германію. Використовується для створення високочастотних інтегральних схем, світлодіодів, лазерних діодів, діодів Ганна, тунельних діодів і транзисторів.

Деякі електронні властивості GaAs перевершують властивості кремнію. Арсенід галію має більш високою рухливістю, що дозволяє працювати на частотах 250 ГГц.

Також прилади на основі GaAs генерують менше шуму, ніж кремнієві пристрої на тій же операційній частоті.Через більш високої напруги пробою в GaAs ніж в Si ці прилади можуть працювати при більшій потужності. Ці властивості роблять GaAs широко застосовуваним в мобільних телефонах, твердотільних лазерах, деяких радарних системах. Напівпровідникові прилади на основі арсеніду галію мають більш високу радіаційну стійкість, ніж кремнієві, що обумовлює його використання при наявності радіаційного випромінювання (наприклад, в сонячних батареях в космічній техніці).

GaAs - прямозонних напівпровідник, що також є його перевагою. GaAs може бути використаний в оптичних приладах: світлодіодах, твердотільних лазерах.

Складні шаруваті структури арсеніду галію в комбінації з арсенідом алюмінію (AlAs) або потрійними розчинами Al x Ga 1-x As можна виростити за допомогою молекулярно-променевої епітаксії (МЛЕ). Через практично повного узгодження постійних решіток шари мають малі напруги і можуть вирощуватися довільної товщини.

Основних зас властивості і параметри напівпровідника представлені в таб. 2.1.

Таблиця 2.1 - Основні параметри GaAs

властивості
загальні
Назва арсенід галію
Хімічна формула GaAs
Зовнішній вигляд Темно-сірі кубічні кристали
структура
атомний вагу 144,64 ат. од.
Постійна решітки 0,56533 нм
кристалічна структура цинкової обманки
фізичні
Агрегатний стан при н. у. тверде
Точка плавлення при н. у. 1513 K
електронні
Ширина забороненої зони при 300 K 1.424 еВ
Електрони, ефективна маса 0.067 me
Легкі дірки, ефективна маса 0.082 me
Важкі дірки, ефективна маса 0.45 me
Рухливість електронів при 300 K 9200 см² / (В · с)
Рухливість дірок при 300 K 400 см² / (В · с)

По фізичних характеристиках арсенід галію більш крихкий матеріал, ніж кремній. Крім того підкладки з арсеніду галію набагато складніше для виготовлення і дорожче, що обмежує застосування матеріалу.

Токсичні властивості арсеніду галію були детально вивчені, але це речовина токсична і канцерогенно [9].

2.2 Основн ті параметри МДП-транзистора

З ox - питома ємність подзатворного діелектрика

І с ID - струм стоку

IG - струм затвора

I DS - струм каналу витік-стік

R 0 - омічний опір

R i - внутрішній опір

S - крутизна характеристики

U зи U GS - напруга затвор-витік

U сі U DS - напруга витік-стік

U зс U DG - напруга стік-затвор

U ЗИ пір U пір U GS (th) V T - порогове напруга

U ЗИ відступ U відступ U GS (off) - напруга відсічення

V ox - падіння напруги на Окісна шарі

V Т - порогове напруга

V SS - напруга, прикладена до підкладки

μ - коефіцієнт посилення

2.3 Розрахунок параметрів МДП-транзистора

Вихідні дані для розрахунків:

- ширина п / п структури Z до = 1500 · 10 -4 см;

- довжина каналу L k = 6 · 10 -4 см;

- товщина оксидного шару (ізолятора затвора) d = 0,16 · 10 -4 см;

- концентрація акцепторів в підкладці N a = 6 × 10 15 см -3;

- поверхнева щільність зарядів N пов = 1,2 × 10 11 см -2;

- товщина витоку h іст = 4 · 10 -4 см;

- довжина витоку l іст = 7 · 10 -4 см;

- товщина стоку h c ток = 4 · 10 -4 см;

- довжина стоку l стік = 7 · 10 -4 см;

- тепловий опір корпусу R t = 40 К / Вт.

Розрахуємо напруга змикання, В:

(2.1)

де q - заряд електрона, а j f = 0,38 В - потенціал рівня Фермі.

Знайдемо питому ємність «затвор-каналу», Ф:

(2.2)

де = 4 - діелектрична проникність діоксиду кремнію.

Ширина збідненого шару в каналі при U зи = 0 знаходиться за формулою:

(2.3)

Щільність заряду не компенсуються іонізованих атомів домішки в підкладці, Кл / см 2:


(2.4)

Щільність заряду на кордоні діелектрик- напівпровідник, Кл / см 2:

(2.5)

Крутизна, А / В:

(2.6)

де = 0,15 м 2 ∙ В -1 ∙ с -1 - рухливість електронів в каналі.

Гранична напруга транзистора, В:

(2.7)

Коефіцієнт К:

(2.8)


Паразитні ємності затвора, Ф:

(2.9)

де S з = Z k · L k - площа затвора.

Опір стоку і витоку, Ом:

(2.10)

де - питомий опір каналу.

На малюнку 2.1 побудовано сімейство передавальних характеристик транзистора для значень напруги між стоком і витоком 1, 2, 4 В.


Малюнок 2.1 - Сток-затворна характеристика польового транзистора.

Сімейство стічних (вихідних) характеристик МДП-транзистора з індукованим каналом будуємо шляхом поєднання двох областей його ВАХ - тріодної і області насичення.

Малюнок 2.2 - Семействo вихідних вольт-амперних характеристик польового транзистора


ВИСНОВКИ

В ході даної курсової роботи:

були розглянуті властивості МДП-структури, а також типи і пристрій польових транзисторів;

розглянуті характеристики МДП-транзистора;

визначено вплив типу каналу на вольт-амперні характеристики приладу;

розглянуті основних зас властивості і параметри напівпровідника арсеніду галію;

розраховані параметри і характеристики МДП-транзистора.

В результаті розрахунків параметрів і характеристик напівпровідникових приладів були отримані результати, що не суперечать довідковими даними.

Так само були отримані значення основних параметрів: гранична напруга , Напруга змикання , Опір стоку і витоку r і = r з = 42,07 Ом. В результаті побудов характеристик МДП-транзистора були отримані типові вольтамперні характеристики транзистора МДП-типу з індукованим каналом n-типу.


СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Ніконова З.А., Небеснюк О.Ю. Твердотіла електроніка. Конспект лекцій для студентів напрямку «Електроніка» ЗДІА / Запоріжжя: Видавництво ЗДІА, 2002. - 99с.

2. Твердотіла електроніка. Навчальний посібник до курсового проекту для студентів ЗДІА спеціальності «Фізична та біомедічна електроніка» денної та заочної форм навчання / Укл: З.А. Ніконова, О.Ю. Небеснюк ,, М.О. Літвіненко, Г.А. Слюсаревська. Запоріжжя, 2005. - 40с.

3. Батушев В. А. Електронні прилади. - М., "Вища школа" 1980 ..

4. Гусєв В.Г., Гусєв Ю.М. Електроніка - М .: Вища школа, 1991р. - 617С.

5. Гуртів В. А. Твердотельная електроніка: Учеб. посібник // В. А. Гуртів; ПетрГУ. - Петрозаводськ, 2004. - 312 с.

6. Городецький Л. Ф. Напівпровідникові прилади // Л. Ф. Городецький, А. Ф. Кравченко, М .: Вища школа, 1967, - 348 с.

7. Єпіфанов Г.І. Фізичні основи мікроелектроніки М .: Сов. радіо, 1971 г. - 376 с.

8. Єфімов І. Е., Козир І. Я., Горбунов Ю. І. Мікроелектроніка. М .: Вища школа, 1987р. - 326 с.

9. Єфімов І.Є., Козир І.Я. Основи мікроелектроніки. - 2-е изд., Перераб. і доп. - М .: Вища школа, 1983р. - 384 с.

10. Жеребцов І.П. Основи електроніки. - Вища школа, Ленінградське отд-ня, 1989р. - 352 с.

11. Зі С. Фізика напівпровідникових приладів: Пер. з англ. М .: Світ, 1984. - 368 с.

12. Напівпровідникові прилади: транзистори. Довідник. Під ред. Н. Н. Горюнова - М .: Вища школа, 1985р. - 204 с.

13. Пасинків В. В., Чиркин Л. К. Напівпровідникові прилади. М .: Вища школа, 1987р. - 479 c.

14. Степаненко І.П. Основи мікроелектроніки. - М .: Сов. радіо, 1980р. - 424 с.

15. Тугов Н.М., Глєбов Б.А., Чариков Н.А. Напівпровідникові прилади. - М .: Вища школа, 1990р. - 376 с.

16.Федотов Я. А. Основи фізики напівпровідникових приладів. М., "Радянське радіо", 1970р. - 392 с.

17. Електроніка: Енциклопедичний словник .// Гл. ред. В. Г. Колесніков. М .: Радянська енциклопедія, 1991. - 688 с.


  • 1.1 Властивості МДП-структури (метал-діелектрик-напівпровідник)
  • 1.2 Типи і пристрій польових транзисторів
  • 1.3 Принцип роботи МДП-транзистора
  • 1.4 Вибір знаків напружень в МДП-транзисторі
  • 1.5 Характеристики МДП-транзистора в області плавного каналу
  • 1.7 Вплив типу каналу на вольт-амперні характеристики МДП-транзисторів
  • 2.1 Основні відомості про арсеніді галію
  • 2.3 Розрахунок параметрів МДП-транзистора
  • ВИСНОВКИ