Моделирование работы МДП-транзистора в системе MathCad (стр. 1 из 3)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физико-технический факультет
Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: Моделирование физических процессов в микроэлектронике
Тема: Моделирование работы МДП-транзистора в системе Mathcad
Разработал студент гр. ФТ-101Д.М. Жуков
Руководитель А.В. Арсентьев
2010
Содержание
Ведение
1. Полевые транзисторы, их классификация, принцип действия
1.1 Классификация полевых транзисторов
1.2 Принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом
2. Моделирование работы МДП-транзистора
2.1 Теоретическое обоснование компьютерной модели
2.2 Компьютерная модель
Заключение
Список литературы
Введение
В современной цифровой электронике наиболее распространены полевые транзисторы. Это связано с тем, что на полевых транзисторах возможна реализация комплиментарных МОП-структур. Преимущество таких структур в их быстродействии и малой потребляемой мощности. В связи с этим необходимы корректные модели МОП-транзисторов, чтобы было возможно проектирование все более усложняющихся цифровых устройств.
При проектировании схем на полевых транзисторах необходимо знать как выглядит ВАХ транзистора. Этот параметр закладывается в ходе проектирования структуры транзистора. Чтобы предсказать поведение ВАХ нужно знать, какие процессы происходят в структуре при изменении прикладываемых к ней напряжений. Одним из таких процессов, напрямую влияющих на вид ВАХ транзистора, является изменение толщины обедненной области пространственного заряда (ОПЗ) и, следовательно, геометрии канала при изменении напряжения на стоке.
В данной работе будет построена компьютерная модель зависимости толщины ОПЗ от приложенного к току напряжения.
1. Полевые транзисторы, их классификация, принцип действия
1.1 Классификация полевых транзисторов
Полевыми транзисторами называются полупроводниковые приборы (ППП), работа которых основана на модуляции сопротивления слоя полупроводникового материала поперечным электрическим полем.
Протекание электрического тока в полевых транзисторах обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие транзисторы называют также униполярными в отличие от биполярных.
По физическим эффектам, лежащим в основе управления носителями заряда, полевые транзисторы бывают трех видов: с управляющим p-n-переходом, с управляющим переходом металл полупроводник и со структурой металл–диэлектрик–полупроводник (МДП-транзисторы).
В полевых транзисторах в качестве полупроводникового материала используют в основном кремний и арсенид галлия, в качестве металлов: алюминий, молибден, золото; в качестве диэлектрика оксид кремния SiО2 в МОП-транзисторах или сложные структуры, например SiO2–Al2O3, SiO2–Si3N4 в МДП-транзисторах.
МДП-транзисторы по способу образования канала подразделяются на транзисторы со встроенным каналом (канал создается при изготовлении) и с индуцированным каналом (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). В современных цифровых интегральных схемах (ИС) наиболее распространены МДП-трнзисторы с индуцированным каналом.
По типу проводимости МДП-транзисторы делятся на транзисторы с каналом n-типа и каналом p-типа.
Полевые транзисторы проще биполярных по структуре, кроме того им присущ ряд ценных качеств:
- производство этих приборов проще, они имеют меньшие габариты и можно добиться более высокой степени интеграции ИС;
- потребляемая ими мощность меньше, чем у биполярных транзисторов (мощность, потребляемая МОП - транзисторами, составляет единицы нановатт, в то время как биполярные транзисторы потребляют единицы милливатт);
- применение полевых транзисторов улучшает экономические показатели изделий;
- характерной особенностью полевых транзисторов является высокое входное сопротивление (свыше 10 МОм) и высокий коэффициент усиления по напряжению;
- на базе полевых транзисторов легко создавать запоминающие устройства, работающие за счет накопления зарядов малыми внутренними емкостями;
- надежность полевых транзисторов выше надежности биполярных.
1.2 Принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом
Рассмотрим работу МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа.
Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника.
В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод – затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения присутствуют четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника – обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия.
Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от объема подложки слоем обеднения. На рисунке 1 приведена топология МДП - транзистора, где этот факт наглядно виден.
Рисунок 1 – Полевой транзистор со структурой металл – диэлектрик – полупроводник
В отсутствии напряжения, приложенного к структуре ,p-n-переходы, образованные областями стока, истока и подложкой, смещены в обратном направлении. В подложке на границе раздела между полупроводником и диэлектриком образуется отрицательны заряд подвижных электронов, который уравновешивает положительный заряд Qпов поверхностных состояний. Наличие избыточных электронов у поверхности раздела приводит к искривлению энергетических зон (рисунок 2)
Рисунок 2 – Зонная диаграмма МДП-транзистора в отсутствии внешних электрических полей
Дополнительное искривление зон и накопление отрицательного заряда подвижных электронов у поверхности возникает за счет разности работ выхода для диэлектрика и полупроводника. Чаще всего в качестве диэлектрика используется двуокись кремния SiO2. Работа выхода из SiO2 меньше, чем из кремния, поэтому между диэлектриком и полупроводником возникает контактная разность потенциалов ϕМДП, величина которой составляет приблизительно 0,4 В.
Таким образом, в исходном состоянии суммарный отрицательный заряд электронов у поверхности полупроводника обусловлен зарядом поверхностных состояний и разностью работ выхода из полупроводника и диэлектрика. Из условия электронейтральности следует, что суммарный положительный заряд в диэлектрике равен отрицательному заряду подвижных электронов у поверхности полупроводника. Поэтому электрическое поле сосредоточено на границе раздела полупроводника и диэлектрика.
При подаче отрицательного напряжения на затвор, возникающее электрическое поле уменьшает поле, созданное контактной разностью потенциалов и обусловленное Qпов и приводит к уменьшению заряда подвижных электронов у поверхности. Под действием электрического поля электроны перемещаются вглубь полупроводника. С увеличением отрицательного напряжения на затворе заряд подвижных электронов у поверхности уменьшается и поверхностный слой полупроводника стремится изменить свой тип проводимости с электронного на дырочный. При некотором напряжении на затворе поверхностный слой имеет собственную проводимость. В этом случае уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны EF=Ei (рисунок 3).
Дальнейшее увеличение отрицательного напряжения на затворе приводит к тому, что электроны, связанные с атомами донорной примеси в подложке, отталкиваются в глубь полупроводника, оголяя положительно заряженные ионизированные атомы донорной примеси.
Рисунок 3 – Энергетическая диаграммы МДП-транзистора с EF=Ei
Неподвижные ионизированные атомы образуют слой объемного заряда, компенсирующийотрицательный заряд на затворе. Толщина слоя объемного заряда с ростом отрицательного напряжения на затворе изменяется незначительно, т.к. за счет увеличения напряженности электрического поля подвижные дырки перемещаются к поверхности и образуют инверсионный слой дырочной проводимости.
Таким образом на поверхности полупроводника индуцируется канал, проводимость которого будет увеличиваться с ростом отрицательного напряжения на затворе.
Под действием разности потенциалов между стоком и истоком в канале транзистора протекает ток стока Iс. При малых отрицательных напряжениях на стоке UС ток Iс прямо пропорционален приложенному напряжению. Рост UC, с одной стороны, увеличивает ток стока, т.к. увеличивается электрическое поле вдоль канала, с другой стороны, UC компенсирует действие напряжения, приложенного к затвору, что приводит к уменьшению толщины канала около стока и его проводимости. Изменение проводимости канала около стока является причиной отклонения зависимости IC(UC) от линейного закона.
Толщина слоя объемного заряда максимальна около стока и минимальна у истока. Дальнейшее увеличение UC приводит к насыщению тока стока. Когда напряжение на стоке станет равным