Исследование вольт-амперных характеристик полевого транзистора с изолированным затвором с помощью SPICE модели первого уровня

Практическая работа № 9

Исследование вольт-амперных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом по модели Шихмана-Ходжеса

1. Цель работы.

По заданным конструктивно-технологическим параметрам полевого транзистора с управляющим p-n переходом построить выходные вольт-амперные характеристики.

2. Общие положения

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом – прибор, в котором ток, протекающий между стоком и истоком управляется с помощью напряжения, прикладываемого к затвору. Современный интегральный полевой транзистор, в большинстве случаев, имеет конструкцию, содержащую два затвора – верхний и нижний, однако существуют транзисторы, в которых может формироваться только один затвор. Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n переходом представлена на рис. 1.

Рис. 1 Конструкция интегрального транзистора с управляющим p-n переходом

Простейшей моделью полевых транзисторов, в том числе и с управляющим p-n переходом, является модель Шихмана-Ходжеса. Эквивалентная схема данного транзистора приведена на рис. 2.

Рис. 2 Эквивалентная схема транзистора

Ток стока транзистора согласно данной модели определяется с помощью следующих выражений (1) – (3):

- для области отсечки U_GS – U_T0 ≤ 0:

 

I_D = 0 (1)

- для линейной области 0 < U_DS < U_GS – U_T0:

 

(2)

 

- для области насыщения 0 < U_GS – U_T0 ≤ U_DS:

 

(3)

 

Часть параметров модели транзистора данного типа может быть определена из конструктивно-технологических параметров с помощью упрощенных формул. Для двухзатворного транзистора параметры модели определяются с помощью формул (4), (5); для однозатворного транзистора – с помощью формул (6), (7):

(4)

 

(5)

 

(6)

 

(7)

 

, здесь a – половина токопроводящей части канала;

Z – ширина затвора;

L – длина затвора.

Для оценки величины подвижности в зависимости от концентрации в области канала N_CH удобно воспользоваться выражением:

 

(8)

коэффициенты модели подвижности электронов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметр	Значение
μmin (см2/В*с)	52,2
μmax (см2/В*с)
Nr (см-3)	9,68*1016
α	0,68

3. Задания для работы

а) Построить выходные вольт-амперные характеристики полевого транзистора с учетом конструктивно-технологических параметров, заданных в таблице 2.

 

Таблица 2.

Вариант	Толщина канала (мкм)	Концентрация примеси в канале (см–3)	Длина затвора (мкм)	Ширина затвора (мкм)	Параметр модуляции длины канала, λ (1/В)	Число затворов
	0,5	5e16	1,0	10,0	0,025
	0,75	8e16	1,25	25,0	0,03
	0,25	8e15	0,75	15,0	0,035
		3e15	0,5	15,0	0,02
	0,4	9e15	0,5	25,0	0,025
	0,7	1e16	1,0	10,0	0,03
	0,55	2e16	0,75	15,0	0,035
	1,25	4e15	1,25	10,0	0,02
	1,1	1e15	1,5	25,0	0,025
	0,75	4e17	0,75	10,0	0,03
	0,5	3e16	1,5	15,0	0,035
	0,4	4e16	1,25	20,0	0,02
	0,3	5e17	1,0	15,0	0,025
	0,8	5e16	1,25	10,0	0,03
		1e16	0,5	15,0	0,035
	1,2	1e16	0,5	10,0	0,02
	1,1	5e16	0,75	20,0	0,025
	0,5	5e17	1,25	15,0	0,03
	0,6	3e16	1,5	10,0	0,035
	0,8	4e16	1,0	20,0	0,02

 

 

Практическая работа № 10

Исследование вольт-амперных характеристик полевого транзистора с изолированным затвором с помощью SPICE модели первого уровня

1. Цель работы.

По заданным конструктивно-технологическим параметрам полевого транзистора с изолированным затвором построить передаточные вольт-амперные характеристики.

2. Общие положения

Полевой транзистор с изолированным затвором – основной элемент цифровых интегральных схем. Конструкция современного интегрального n-канального МОП-транзистора с поликремниевым затвором представлена на рис. 1.

Рис 1. Конструкция современного интегрального n-канального МОП-транзистора с поликремниевым затвором

 

Для построения выходных и передаточных вольт-амперных характеристик используются следующие выражения, определяющие зависимость тока стока от прикладываемых напряжений (1) – (3):

- для области отсечки V_GS – V_T ≤ 0:

 

I_D = 0 (1)

 

- для области насыщения V_GS – V_T < V_DS:

 

(2)

 

- для линейной области V_DS < V_GS – V_T:

 

(3)

 

где – параметр, характеризующий крутизну полевого транзистора с изолированным затвором.

μ_n – подвижность у поверхности подложки в области где формируется канал. Для оценки величины подвижности в зависимости от концентрации удобно воспользоваться выражением (4):

 

(4)

коэффициенты модели подвижности электронов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметр	Значение
μmin (см2/В*с)	52,2
μmax (см2/В*с)
Nr (см-3)	9,68*1016
α	0,68

 

Емкость подзатворного диэлектрика определяется с помощью выражения (5):

(5)

Напряжение отсечки транзистора определяется с помощью выражения (6):

(6)

где Ns – поверхностная концентрация.

Поверхностный потенциал определяется с помощью выражения (7):

(7)

Напряжение плоских зон определяется с помощью выражения (8):

(8)

N_SS – концентрация свободных состояний на границе полупроводник/диэлектрик.

Разница работ выхода материал затвора/полупроводник определяется с помощью выражения (9):

(9)

 

В случае если на подложку приложено напряжение V_SB, то напряжение отсечки определяется согласно выражению (10) с учетом (11):

(10)

 

(11)

Для определения параметра модуляции длины канала транзистора, содержащего в своем составе слаболегированные области стока/истока используется выражение (12):

(12)

Здесь L – длина затвора;

L_D – горизонтальная диффузия слаболегированных областей стока/истока;

Vdd – напряжение питания;

X_ds0 – ширина области пространственного заряда при нулевом напряжении;

X_ds – ширина области пространственного заряда при напряжении питания.

Горизонтальная диффузия L_D определяется в соответствии с соотношением (13):

L_D = Xj*0,8 (13)

, где Xj – глубина диффузии слаболегированных областей стока/истока.

X_ds0 и X_ds определяется с помощью выражений (14) и (15):

(14)

 

(15)

Для определения встроенного потенциала необходимо воспользоваться выражением (16):

(16)

 

 

3. Задания для работы

а) Построить передаточные вольт-амперные характеристики n-канального МОП-транзистора с учетом конструктивно-технологических параметров, заданных в таблице 2, и следующих данных:

V_SB = 0;

N_SS = 0;

Xj = 0,15 мкм;

собственная концентрация в кремнии: n_i = 1,45×10¹⁰ см^–3;

работа выхода поликремниевого затвора: f_m = 4,12 эВ;

диэлектрическая проницаемость кремния: ε_Si = 11,7;

диэлектрическая проницаемость оксида кремния: ε_SiO2 = 3,9;

ширина запрещенной зоны: Eg = 1,12 эВ.

 

 

Таблица 2.

 

Вариант	Толщина подзатворного диэлектрика dSiO2 (нм)	Длина затвора L (мкм)	Ширина затвора W (мкм)	Напряжение питания Vdd (В)	Концентрация на поверхности NS (см–3)	Глубина p-n перехода слаболегированных областей сток_исток/ подложка (мкм)
		0,75			1×1016	0,01
		1,5			5×1015	0,0125
					8×1015	0,01
					1×1017	0,0125
		1,5			5×1015	0,01
					1×1017	0,0125
					1×1016	0,01
					1×1015	0,0125
		0,75			1×1016	0,01
					1×1017	0,0125
		1,5			8×1015	0,01
					1×1016	0,0125
					1×1015	0,01
					5×1015	0,0125
		1,5			1×1016	0,01
					1×1016	0,0125
		0,75			4×1015	0,01
					1×1016	0,0125
		1,5			5×1015	0,01
					1×1017	0,0125

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: