Федеральне агентство з освіти
державних освітніх УСТАНОВА
ВИЩОГО ПРОФЕСІЙНОГО ОСВІТИ
В«Воронезького державного ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ В»
Фізико-технічний факультет
Кафедра напівпровідникової електроніки і наноелектроніки
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
з дисципліни: Моделювання фізичних процесів в мікроелектроніці
Тема: Моделювання роботи МДП-транзистора в системі Mathcad
Розробив студент гр. ФТ-101Д.М. Жуков
Керівник А.В. Арсентьев
2010
Зміст
Ведення
1. Польові транзистори, їх класифікація, принцип дії
1.1 Класифікація польових транзисторів
1.2 Принцип дії польового транзистора з індукованим каналом
2. Моделювання роботи МДП-транзистора
2.1 Теоретичне обгрунтування комп'ютерної моделі
2.2 Комп'ютерна модель
Висновок
Список літератури
Введення
У сучасній цифровій електроніці найбільш поширені польові транзистори. Це пов'язано з тим, що на польових транзисторах можлива реалізація компліментарних МОН-структур. Перевага таких структур у їх швидкодії і малої споживаної потужності. У зв'язку з цим необхідні коректні моделі МОН-транзисторів, щоб було можливо проектування все більш ускладнюються цифрових пристроїв.
При проектуванні схем на польових транзисторах необхідно знати як виглядає ВАХ транзистора. Цей параметр закладається в ході проектування структури транзистора. Щоб передбачити поведінку ВАХ потрібно знати, які процеси відбуваються в структурі при зміні прикладаються до неї напруг. Одним з таких процесів, що безпосередньо впливають на вид ВАХ транзистора, є змі
на товщини збідненої області просторового заряду (ОПЗ) і, отже, геометрії каналу при зміні напруги на стоці.
У даній роботі буде побудована комп'ютерна модель залежності товщини ОПЗ від прикладеної до струму напруги.
1. Польові транзистори, їх класифікація, принцип дії
1.1 Класифікація польових транзисторів
Польовими транзисторами називаються напівпровідникові прилади (ППП), робота яких заснована на модуляції опору шару напівпровідникового матеріалу поперечним електричним полем.
Протікання електричного струму в польових транзисторах обумовлено носіями заряду тільки одного знаку (Електронами або дірками), тому такі транзистори називають також уніполярними на відміну від біполярних.
За фізичним ефектам, лежачим в основі управління носіями заряду, польові транзистори бувають трьох видів: з керуючим pn-переходом, з керуючим переходом метал напівпровідник і зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник (МДН-транзистори).
В польових транзисторах в якості напівпровідникового матеріалу використовують в основному кремній і арсенід галію, в Як металів: алюміній, молібден, золото; в якості діелектрика оксид кремнію SiО 2 в МОП-транзисторах або складні структури, наприклад SiO 2 -Al 2 O 3 , SiO 2 -Si 3 N 4 в МДП-транзисторах.
МДП-транзистори за способом освіти каналу підрозділяються на транзистори з вбудованим каналом (канал створюється при виготовленні) та з індукованим каналом (канал виникає під дією напруги, прикладеної до керуючих електродів). У сучасних цифрових інтегральних схемах (ІС) найбільш поширені МДП-трнзістори з індукованим каналом.
За типом провідності МДП-транзистори діляться на транзистори з каналом n-типу і каналом p-типу.
Польові транзистори простіше біполярних за структурою, крім того їм властивий ряд цінних якостей:
- виробництво цих приладів простіше, вони мають менші габарити і можна домогтися більш високого ступеня інтеграції ІС;
- споживана ними потужність менша, ніж у біполярних транзисторів (потужність, споживана МОП - транзисторами, складає одиниці нановат, в той час як біполярні транзистори споживають одиниці мілліватт);
- застосування польових транзисторів покращує економічні показники виробів;
- характерною особливістю польових транзисторів є високий вхідний опір (понад 10 МОм) і високий коефіцієнт підсилення по напрузі;
- на базі польових транзисторів легко створювати запам'ятовуючі пристрої, що працюють за рахунок накопичення зарядів малими внутрішніми ємностями;
- надійність польових транзисторів вище надійності біполярних.
1.2 Принцип дії польового транзистора з індукованим каналом
Розглянемо роботу МДП-транзистора з індукованим каналом p-типу.
Фізичною основою роботи польового транзистора зі структурою метал - діелектрик - напівпровідник (МДН) є ефект поля. Ефект поля полягає в тому, що під дією зовнішнього електричного поля змінюється концентрація вільних носіїв заряду в приповерхневій області напівпровідника.
У польових приладах зі структурою МДП зовнішнє поле обумовлено прикладеним напругою на металевий електрод - затвор. В залежності від знака і величини прикладеної напруги присутні чотири стани області просторового заряду (ОПЗ) напівпровідника - збагачення, збіднення, слабка і сильна інверсія.
Польові транзистори в активному режимі можуть працювати тільки в області слабкій або сильної інверсії, тобто в тому випадку, коли інверсійний канал між джерелом і стоком відділений від обсягу підкладки шаром збіднення. На малюнку 1 наведена топологія МДП - транзистора, де цей факт наочно видно.
Рисунок 1 - Польовий транзистор з структурою метал - діелектрик - напівпровідник
У відсутності напруги, прикладеної до структури, pn-переходи, утворені областями стоку, витоку і підкладкою, зміщені у зворотному напрямку. У підкладці на межі розділу між напівпровідником і діелектриком утворюється негативний заряд рухомих електронів, який врівноважує позитивний заряд Q пов поверхневих станів. Наявність надлишкових електронів у поверхні розділу призводить до викривлення енергетичних зон (малюнок 2)
Малюнок 2 - Зонна діаграма МДП-транзистора у відсутності зовнішніх електричних полів
Додаткове викривлення зон і накопичення негативного заряду рухливих електронів у поверхні виникає за рахунок різниці робіт виходу для діелектрика і напівпровідника. Найчастіше в Як діелектрик використовується двоокис кремнію SiO 2 . Робота виходу з SiO 2 менше, ніж з кремнію, тому між діелектриком і напівпровідником виникає контактна різниця потенціалів П† МДП , величина якої становить приблизно 0,4 В.
Таким чином, в початковому стані сумарний негативний заряд електронів у поверхні напівпровідника обумовлений зарядом поверхневих станів і різницею робіт виходу з напівпровідника і діелектрика. З умови електронейтральності випливає, що сумарний позитивний заряд у діелектрику дорівнює негативному заряду рухливих електронів у поверхні напівпровідника. Тому електричне поле зосереджено на межі розділу напівпровідника і діелектрика.
При подачі негативної напруги на затвор, що виникає електричне поле зменшує поле, створене контактною різницею потенціалів і обумовлене Q пов і призводить до зменшення заряду рухливих електронів у поверхні. Під дією електричного поля електрони переміщаються вглиб напівпровідника. Зі збільшенням негативного напруги на затворі заряд рухливих електронів у поверхні зменшується і поверхневий шар напівпровідника прагне змінити свій тип провідності з електронного на дірковий. При деякій напрузі на затворі поверхневий шар має власну провідність. У цьому випадку рівень Фермі збігається з серединою забороненої зони E F = E i (малюнок 3).
Подальше збільшення негативного напруги на затворі призводить до того, що електрони, пов'язані з атомами донорно домішки в підкладці, відштовхуються в глиб напівпровідника, оголюючи позитивно заряджені іонізовані атоми донорно домішки.
...
