МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ПОЛЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
Учебно-методическое пособие
Составители:
А.В. Быстрицкий, Г.В. Быкадорова,
К.Г. Пономарев, А.Ю. Ткачёв
А.В. Быстрицкий, Г.В. Быкадорова,
К.Г. Пономарев,
А.Ю. Ткачёв
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2017
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
1. Физические основы работы МОП-транзисторов ………………… 4
2. Приборно-технологическое проектирование n-МОП-структур …. 15
2.1. Проект в программе-оболочке SENTAURUS Workbench ..… 15
2.2. Технология создания n-МОП-структур ……………………… 16
2.3. Физико-технологическая модель n-МОП-структуры
в модуле SProcess …………………......……………………… 18
2.4. Оптимизация расчётной сетки в модуле SNMesh ….….........
23
2.5. Расчёт основных характеристик и параметров n-МОП-структуры
в модулях SDevice и Inspect …......................................
2.5.1. Передаточная характеристика, пороговое напряжение
и крутизна передаточной характеристики ..……..........
2.5.2. Семейство выходных вольт-амперных характеристик,
сопротивление сток-исток в открытом состоянии
в линейной области и в области насыщения …….........
26
26
29
2.5.3. Пробивное напряжение ………………………..……..... 32
Библиографический список ………………………………………… 36
3
Стр.3
Т а б л и ц а 1.1
Тип
Структура и основные характеристики МОП-транзисторов
Общий вид вольт-амперных характеристик
Структура
передаточные
Iси
Iси
выходные
Uзи 3> Uзи 2> Uзи 1
Uзи 3> Uпор
0 Uпор
Iси
Uзи
Uзи < Uпор
Uзи 1> Uпор
Uзи 2> Uпор
0
- Iси
Uси
Uзи 3> Uзи 2> Uзи 1
Uзи 3< 0
0 Uпор
Iси
-Uзи
Uзи < Uпор
Uзи 1< 0
Uзи 2< 0
0
Iси
- Uси
Uзи 3> 0
Uзи < Uпор
Uзи 1< 0
Uзи 2= 0
Uпор
0
Iси
Uзи
0
- Iси
Uси
Uзи 3< 0
Uзи < Uпор
Uзи 1> 0
Uзи 2= 0
Uпор
0
6
-Uзи
0
- Uси
р-канальный
n-канальный
нормально открытый
нормально открытый
p-канальный
нормально закрытый
n-канальный
нормально закрытый
Стр.6
При напряжении на затворе больше порогового Uзи > Uпор и нулевом
напряжении сток-исток Uси = 0 канал имеет одинаковую толщину по всей
длине (рис. 1.2а).
а
б
в
Рис. 1.2. Нормально закрытый n-канальный МОП-транзистор при:
а Uзи > Uпор и Uси = 0; б Uзи > Uпор и Uси > 0;
в Uзи > Uпор и Uси > Uнасыщ
Если на сток подать положительное напряжение, то в цепи сток-исток
потечёт ток Iси, величина которого регулируется затворным напряжением
Uзи. Так как дополнительно к вертикальному электрическому полю, возникающему
при подаче на затвор напряжения относительно подложки, в канале
появляется горизонтальное электрическое поле из-за разности потенциалов
между стоком и истоком, то толщина канала уменьшается по
направлению к стоку (рис. 1.2б). При некотором Uси, называемым напряже7
Стр.7
нием отсечки Uотс, толщина канала у стока станет равной нулю, а при дальнейшем
увеличении напряжения Uси канал будет всё больше укорачиваться
(рис. 1.2в). Ток Iси при этом практически не увеличивается. Область рабочих
параметров МОП-транзистора, в которой канал существует от истока
до стока, является линейной областью, а область, в которой канал перекрыт,
соответствует области насыщения, которая наступает при Uси >
Uнасыщ .
Аналитические выражения для вольт-амперных характеристик МОПтранзисторов
на примере n-канального нормально закрытого транзистора
имеют вид:
- в линейной области
- в области насыщения
I = bk
lk
cи
cи
μ C U U U Ucи
2
n ox
I = bk
lk
μ Cn ox
зи
пор
зи
cи
U Uпор
2
2
,
где Iси – ток стока; bk – ширина канала; lк – длина канала; μn – подвижность
электронов в канале; Сох – ёмкость МОП-структуры; Uси – напряжение
на стоке относительно истока; Uзи – напряжение на затворе относительно
истока; Uпор – пороговое напряжение МОП-транзистора.
Передаточная характеристика МОП-транзистора представляет собой
зависимость тока стока от напряжения на затворе при фиксированном
напряжении сток-исток. Типичный вид передаточных характеристик нормально
закрытого n-МОП-транзистора приведён на рисунке 1.3а. По передаточной
характеристике можно определить пороговое напряжение и крутизну
характеристики транзистора.
Пороговое напряжение определяется как точка пересечения касательк
наиболее линейному участку характеристики (т. е. проведённой
ной
через точку перегиба) с осью напряжения на затворе.
Крутизна S определяется как тангенс угла наклона этой касательной:
8
2
1
;
Стр.8
S cu
U
I
Iси
Uси 1
Uси 2
Uси 3
Uзи 1
Uзи 2
Uзи= 0
0
Uпор
а
Uзи
0
U Uпр 2 U Uпр 0
б
пр 3
а передаточные характеристики при различных напряжениях
сток-исток Uси1 > Uси2 > Uси3;
Рис. 1.3. Вольт-амперные характеристики
нормально закрытого n-МОП-транзистора:
б выходные стоковые характеристики
при различных напряжениях на затворе Uзи1 > Uзи2 > Uзи3 > Uпор
Выражение для крутизны можно записать в виде
S = bk
lk
μ C U .
n ox cи
Так как крутизна зависит от напряжения сток-исток, то пороговое
напряжение, определённое таким способом, также зависит от напряжения
сток-исток. Для того чтобы избавиться от зависимости порогового напряжения
от напряжения сток-исток Uси, целесообразно пороговое напряжение
определять как напряжение, при котором ток стока достигает какого-либо
определённого значения, например, 0,1 мкА.
Выходные вольт-амперные характеристики снимаются при фиксированном
напряжении на затворе Uзи и представляют собой зависимость тока
стока от напряжения сток-исток Iси(Uси). Типичные выходные характери9
пр
1
Uси
зu U const
Iси
cи
.
Uси = Uзи - Uпор
Uзи 3
Стр.9
стики нормально закрытого n-канального МОП-транзистора представлены
на рисунке 1.3б. Перекрытие канала происходит при Uси = Uзи – Uпор. Это
парабола на рисунке 1.3б, отделяющая линейную область режимов от области
насыщения. Напряжение питания транзистора Uпит обычно выбирается
в области насыщения из-за более высокого значения крутизны S.
По выходным вольт-амперным характеристикам МОП-транзистора
можно определить его сопротивление сток-исток Rси в закрытом и открытом
состоянии:
Rси cu
U
I
cu
1
.
U const
зи
В закрытом состоянии МОП-транзистора сопротивление Rси определяется
при Uзи = 0 или при Uзи = –Uпит, а в открытом состоянии Rси МОПтранзистора
определяется при напряжении на затворе, гарантирующем его
полное открытие, обычно Uзи = (3÷4)Uпор. Сопротивление Rси в открытом
состоянии МОП-транзистора различается в линейной области при Uси → 0 и
в области насыщения при Uси → Uпит. Сопротивление Rси в области насыщения
также называют выходным сопротивлением стока Rвых.
При увеличении Uси значительную роль начинает играть генерация
электронно-дырочных пар путём ударной ионизации атомов кремния в области
стокового pn-перехода. Скорость генерации Gavalanche определяется
выражением
G
avalanche=αn νn +α pν ,
n
p
p
где αn, αр – коэффициенты ионизации, или умножения, электронов и дырок,
зависящие от Uси; n, p – концентрации электронов и дырок; νn, νp – скорости
электронов и дырок.
При достижении на стоке пробивного напряжения Uпр начинается лавинная
генерация носителей заряда из-за ударной ионизации, т. е. происхо10
Стр.10