- •Ведение
- •1. Элементы биполярных интегральных схем
- •1.1.Биполярный полупроводниковый транзистор
- •1.1.1. Теория p-n-перехода в условиях равновесия
- •1.1.3. Вольт-амперная характеристика р - n-перехода
- •1.1.4. Качественный анализ работы биполярного транзистора
- •1.1.5. Статические характеристики транзистора в схеме с об
- •1.1.6. Статические характеристики в схеме с оэ
- •1.1.7. Статические параметры транзисторов
- •1.1.8. Биполярный транзистор как четырехполюсник
- •1.1.9. Особенности дрейфовых транзисторов
- •1.2. Интегральные резисторы
- •2. Полевые транзисторы на основе структур металл — диэлектрик –полупроводник (мдп)
- •2.1. Устройство мдп транзистора
- •2.2. Качественный анализ работы мдп транзистора
- •2.3. Уравнение для вольт-амперных характеристик мдп транзистора
- •Модуляция длины канала
- •Эффект подложки
- •Пробой в мдп транзисторах
- •2.4. Характеристики мдп транзистора
- •2.5. Статические параметры мдп транзистора Крутизна вольт-амперной характеристики
- •Внутреннее, или динамическое, сопротивление
- •Сопротивление затвора
- •2.6. Частотные свойства мдп транзистора
- •3. Соединения и контактные площадки
- •4. Базовые схемы логических элементов на биполярных и полевых транзисторах
- •5. Разработка топологии ис
- •6. Разработка фотошаблонов для производства имс
- •7. Технологический процесс
- •7.1. Эпитаксия кремния
- •Эпитаксия из газовой фазы
- •Легирование при эпитаксии
- •7.2. Формирование диэлектрических слоев
- •Маскирующие свойства слоев диоксида кремния
- •Термическое окисление кремния
- •Плазмохимическое окисление кремния
- •Покрытия из нитрида кремния
- •7.3. Диффузионное легирование в планарной технологии
- •7.4. Ионное легирование
- •7.5. Литографические процессы
- •7.6. Металлические слои
- •Методы распыления в вакууме
- •7.7. Основные этапы технологического цикла (Пример)
- •6. Разработка профильной схемы технологического маршрута имс.
- •7. Заключение.
- •8. Список цитируемой литературы.
- •Календарный план
- •Реферат
- •Примерный перечень тем курсовых проектов
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
2.3. Уравнение для вольт-амперных характеристик мдп транзистора
На рис. 2.4 приведены структура МДП транзистора с р-каналом и система координат, используемые при выводе уравнения вольт-амперных характеристик (ВАХ).
При расчете выражений для вольт-амперных характеристик воспользуемся следующими допущениями: ток в канале обусловлен дрейфом
Рис. 2.4. Структура МДП транзистора и система координат, используемые при выводе уравнения вольт-амперных характеристик (ВАХ)
подвижных носителей под действием разности потенциалов между стоком и истоком; подвижность постоянна и не зависит от напряженности электрического поля; ток через подложку отсутствует; ток в канале обусловлен подвижными дырками, электронная составляющая тока отсутствует; не учитываются генерационная и рекомбинационная составляющие тока в канале; изменение толщины канала вдоль оси У мало по сравнению с длиной канала; в канале присутствует только продольная составляющая электрического поля, в слое объемного заряда присутствует только поперечная составляющая электрического поля; плотность заряда поверхностных состояний вдоль границы раздела диэлектрика и полупроводника постоянна; электрическое поле в подложке сосредоточено только в слое объемного заряда; основной объем полупроводника электрически нейтрален; диэлектрик идеальный, ток в цепи затвора отсутствует.
В стационарном состоянии полный заряд в МДП структуре, приходящийся на единицу площади, должен равняться нулю. Следовательно,
Q = Qp + Qss + Qoc + Qn + QМДП , (2.4)
где Q — заряд, обусловленный напряжением, приложенным к затвору; Qp — заряд подвижных дырок в подложке; Qn — заряд электронов; Qoc — заряд обедненного слоя; QМДП — заряд электронов в подложке, обусловленный разностью работ выхода в МДП структуре.
Для создания в поверхностном слое индуцированного канала заряд подвижных дырок Qp должен превышать заряд электронов Qn (ток в канале в соответствии с принятыми допущениями равен нулю: Qn = 0). Ток, протекающий в канале, обусловлен дрейфом дырок от истока к стоку. Следовательно,
Is = z , (2.5)
где Eу — напряженность электрического поля в канале вдоль оси у; σp — удельная проводимость канала; z — ширина транзистора; xк — толщина канала.
На основе принятых допущений выражение (2.5) можно записать в следующем виде:
Is = -z = -qzμp , (2.6)
где μp — средняя поверхностная подвижность дырок в канале; р — удельная концентрация дырок в канале. Очевидно, что
= Qp = Q - Qss – Qoc - QМДП . (2.7)
Для того, чтобы найти выражение для вольт-амперных характеристик, необходимо определить зависимость Q и Qoc от приложенных напряжений. Заряд обедненного слоя, приходящийся на единицу площади, равен
Qoc = qNDh(y) = {2εε0qND[-φ(y)+Vп]}1/2 (2.8)
где qND — заряд ионизированных атомов донорной примеси; h — толщина слоя объемного заряда; ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; ε — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; φ(y) = -φ(xk) — потенциал на границе между слоем объемного заряда и каналом; Vп — потенциал на подложке.
Наведенный заряд, обусловленный напряжением, приложенным к затвору, зависит от разности потенциалов между затвором и каналом и от емкости диэлектрического слоя. Так как после образования канала все напряжение, приложенное к затвору, падает на диэлектрике, то
Q = Cd[-V3 - φ(y)] (2.9)
где Cd = εdε0/d — удельная емкость диэлектрика; εd— относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d — толщина диэлектрика.
Заряд, обусловленный разностью работ выхода в МДП структуре, также можно выразить через емкость диэлектрического слоя:
QМДП = φМДПCd (2.10)
Подставляя (2.7) в (2.6), заменяя Q, Qoc, QМДП выражениями (3.9), (3.8), (2.10) соответственно и учитывая знаки зарядов, получим
Is = -zμp{Cd[-V3 - φ(y)]+ VМДПCd + Qss + {2εε0qND[-φ(y)+Vп]}1/2} (2.11)
Интегрируя выражение (2.11) по длине канала от 0 до L и по напряжению от (φ(0) = - φk0 до φ(L) = - (Vs + φk0), получим
Is= (2.12)
Рис. 2.5. Расчетные характеристики МДП транзистора
В выражение (2.12) следует подставлять абсолютные значения напряжений на стоке, затворе и подложке. Выражение (2.12) описывает зависимость Is = f(V3, Vs, Vп) транзистора только в крутой области характеристик, где отсутствует насыщение тока при изменении Vs. Как было отмечено выше, с ростом Vs ток Is насыщается. Около стока канал перекрывается слоем объемного заряда; все дополнительное изменение напряжения на стоке падает на слое объемного заряда, а ток стока поддерживается приблизительно постоянным.
Согласно упрощенной модели в пологой области ВАХ МДП транзистора описывается выражением
Is= , (2.13)
которое справедливо при |Vs| > V3 — VПОР и отражает квадратичную зависимость тока стока от напряжения на затворе и то, что ток не зависит от напряжения на стоке, т. е. вольт-амперные характеристики проходят горизонтально.
В реальных МДП транзисторах (рис. 2.5) ток Is слабо, но зависит от Vs. Для объяснения этого эффекта необходимо учитывать следующие явления: модуляцию длины канала под действием Vs, генерацию и рекомбинацию носителей в обедненной области стока, пробойные явления.