Архив2 / курсач docx180 / kursach_variant_4-9_1

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Курсовая работа по предмету:

Вакуумная и плазменная электроника

Вариант 4-3

Выполнил: Баховский В.В группа ЭКТ-44

Проверил: Красюков А.В.

МОСКВА

2012

Содержание

1	Расчёт электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора..................................................................
1.1	Исходные данные. Задание.......................................................................
1.2	Структура и топология МДП-транзистора..............................................
1.3	Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора.............
1.4	Расчёт ВАХ в рамках идеализированной модели..................................
1.5	Расчёт ВАХ с учётом неоднородности ОПЗ под затвором...................
1.6	Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры.........................
1.7	Факультативное задание: Расчёт и корректировка порогового напряжения с учётом эффектов короткого и узкого канала..................
1.8	Факультативное задание: Расчёт реальной ВАХ, зависящей от ...
1.9	Факультативное задание: Расчёт параметров эквивалентной схемы...

1 Расчёт электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП транзистора

1. Исходные данные. Задание

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*10^1^6
6	Подвижность электронов в канале n, см^2/В.с	750
7	Плотность поверхностных состояний , см^-2	3*10^1^0
8	Концентрация примеси в n^+- слоях, см^-3	10^20
9	Глубина залегания стока , мкм	0.8

ОБЩИЕ ДАННЫЕ

e = 1.61*10^-19 Кл – заряд электрона,

ε₀ = 8.85*10^-14 Ф/см диэлектрическая проницаемость вакуума,

ε = 11.9 – относительная проницаемость Si,

ε_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.

1.2 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

Масштабная топология прибора показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Топология исследуемого МДП-транзистора

1.3 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/см² .

= Кл/см² .

=Ф/см²

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 Vt +1 - (-1.322) = +0,636 В. Если затвор

сделать из р+-Si, то получимVt0 .364+1.12=1.484В. Остается добавить

Vt +1-1.484=-0.484В. Так как эта величина отрицательная, то под

затвором необходимо выполнить подлегирование поверхности

примесью n-типа (мелкими донорами) на глубину x 0,1*Xj=0.08

мкм.

Необходимая доза подлегирования составляет

= 2.26*10¹¹ см^-2,

Cредняя концентрация акцепторов в подзатворном слое

D/Δx= 2.83*10¹⁶ 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 ;

= 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

1.5 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 I_DS определяется из выражения (1.4) при V_DS=V_DSS (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 E_S = 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 U_BS=0.

Рисунок 1.5 - ВАХ транзистора, рассчитанные в рамках идеальной и реальной моделей при U_BS=0.

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

Параметры эквивалентной схемы:

- R_S объёмное сопротивление истока

- R_D объёмное сопротивление стока

- R_B объёмное сопротивление подложки

- R_G объёмное сопротивление затвора

- C_GD паразитная ёмкость затвор-сток

- C_G ёмкость затвора

- C_bs барьерная ёмкость подложка-исток

- C_bd диффузионная ёмкость подложка-сток

- G выходная проводимость

- g_S крутизна

- g_b крутизна по подложке

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

1.8 Факультативное задание: Расчёт реальной ВАХ, зависящей от

Расчет реальной ВАХ при U_BS=-2В проводится аналогично разделу 1.5. Результаты расчета выходной ВАХ рассматриваемого МДП-транзистора

при U_GS=4B, U_DS=0-5В, U_BS=-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, U_BS=0

• б – реальная модель, U_BS=0B

• в – реальная модель, U_BS=-2B

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

1.9 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