Расчет и проектирование МДП-транзистора (стр. 4 из 5)

Рисунок 1.14 - Вольт-амперные характеристики n-канальных и p-канальных МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами.

1.8 Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора

Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 1.15. Здесь R_вх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость С_BX - емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор - исток. Паразитная емкость С_пар обусловлена емкостью перекрытий затвор - сток. Выходное сопротивление R_вых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость С_вых определяется емкостью р-n-перехода стока. Генератор тока i₁ передает эффект усиления в МДП-транзисторе [3].

Рисунок 1.15 - Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора

Определим быстродействие МДП-транзистора исходя из следующих соображений. Пусть на затвор МДП-транзистора, работающего в области отсечки, так что V_gs = V_ds = V_пит, подано малое переменное напряжение ũ = u₀sin(ω_t).

Тогда за счет усиления в стоковой цепи потечет ток i₁, равный:

=S·ũ (1.18)

Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитный ток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:

= й2πfC_OXWL (1.19)

С ростом частоты выходного сигнала f паразитный ток будет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления. Определим граничную частоту работы МДП-транзистора f =f_макс, когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):

(1.20)

Поскольку напряжение исток-сток V_DS порядка напряжения V_GS - V_T, то, используя определение дрейфовой скорости

(1.21)

можно видеть, что предельная частота усиления f_макс определяется временем пролета τ электронов через канал транзистора:

(1.22)

Оценим быстродействие транзистора.

Пусть величина подвижности μ_n = 500 см²/(В·с),длина канала L = 10 мкм = 10^{-3 см, напряжение питания V}_пит = 10 В. Подставляя эти значения в (1.20), получаем, что максимальная частота для МДП-транзистора составляет величину порядка f_макс ≈ 1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратно пропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.

2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

2.1 Основные сведения об арсениде галлия

Арсени́д га́ллия (GaAs) — химическое соединение галлия и мышьяка. Важный полупроводник, третий по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Используется для создания высокочастотных интегральных схем, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов и транзисторов.

Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью, позволяющей работать на частотах 250 ГГц.

Также приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые устройства на той же операционной частоте. Из-за более высокого напряжения пробоя в GaAs чем в Si эти приборы могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAs широко применяемым в мобильных телефонах, твердотельных лазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обуславливает его использование при наличии радиационного излучения (например, в солнечных батареях в космической технике).

GaAs — прямозонный полупроводник, что также является его преимуществом. GaAs может быть использован в оптических приборах: светоизлучающих диодах, твердотельных лазерах.

Сложные слоистые структуры арсенида галлия в комбинации с арсенидом алюминия (AlAs) или тройными растворами Al_xGa_1-xAs можно вырастить с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Из-за практически полного согласования постоянных решёток слои имеют малые напряжения и могут выращиваться произвольной толщины.

Основны свойства и параметры полупроводника представлены в таб. 2.1.

Таблица 2.1 - Основны параметры GaAs

Свойства
Общие
Название	арсенид галлия
Химическая формула	GaAs
Внешний вид	Тёмно-серые кубические кристаллы
Структура
Атомный вес	144,64 ат. ед.
Постоянная решётки	0,56533 нм
Кристаллическая структура	цинковой обманки
Физические
Агрегатное состояние при н. у.	твёрдое
Точка плавления при н. у.	1513 K
Электронные
Ширина запрещённой зоны при 300 K	1.424 эВ
Электроны, эффективная масса	0.067 me
Лёгкие дырки, эффективная масса	0.082 me
Тяжёлые дырки, эффективная масса	0.45 me
Подвижность электронов при 300 K	9200 см²/(В·с)
Подвижность дырок при 300 K	400 см²/(В·с)

По физическим характеристикам арсенид галлия более хрупкий материал, чем кремний. Кроме того подложки из арсенида галлия гораздо сложнее для изготовления и дороже, что ограничивает применение материала.

Токсические свойства арсенида галлия не были детально исследованы, но это вещество токсично и канцерогенно [9].

2.2 Основные параметры МДП-транзистора

С_ox — удельная емкость подзатворного диэлектрика

Iс_ID — ток стока

Iз_IG — ток затвора

I_DS — ток канала исток-сток

R₀ — омическое сопротивление

R_i — внутреннее сопротивление

S — крутизна характеристики

U_зи U_GS — напряжение затвор-исток

U_си U_DS — напряжение исток-сток

U_зс U_DG — напряжение сток-затвор

U_{ЗИ пор} U_пор U_GS(th) V_T — пороговое напряжение

U_{ЗИ отс} U_отс U_GS(off) — напряжение отсечки

V_ox — падение напряжения на окисном слое

V_Т — пороговое напряжение

V_SS — напряжение, приложенное к подложке

μ — коэффициент усиления

2.3 Расчет параметров МДП-транзистора

Исходные данные для расчетов:

- ширина п/п структуры Z_к=1500·10^{-4 см;}

- длина канала L_k=6·10 ^-4 см;

- толщина оксидного слоя (изолятора затвора) d=0,16·10^{-4 см ;}

- концентрация акцепторов в подложке N_a=6·10¹⁵ см ^-3 ;

- поверхностная плотность зарядов N_пов=1,2·10¹¹ см ^-2;

- толщина истока h_ист=4·10^{-4 см;}

- длина истока l_ист=7·10^{-4 см;}

- толщина стока h_cток=4·10^{-4 см;}

- длина стока l_сток=7·10^{-4 см;}

- тепловое сопротивление корпуса R_t= 40 К/Вт .

Рассчитаем напряжение смыкания, В:

(2.1)

где q– заряд электрона, а j_f= 0,38 В – потенциал уровня Ферми.

Найдем удельную емкость «затвор-канала», Ф:

(2.2)

где

= 4 – диэлектрическая проницаемость диоксида кремния.

Ширина обедненного слоя в канале при U_зи =0 находится по формуле:

(2.3)

Плотность заряда нескомпенсированных ионизированных атомов примеси в подложке, Кл/см²:

(2.4)

Плотность заряда на границе диэлектрик-полупроводник, Кл/см²:

(2.5)

Крутизна, А/В:

(2.6)

где

=0,15 м²∙В^-1∙с^-1— подвижность электронов в канале.

Пороговое напряжение транзистора, В:

(2.7)

Коэффициент К:

(2.8)

Паразитные емкости затвора, Ф: