ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4

КОНСТРУКТИВНИЙ РОЗРАХУНОК МДН-ТРАНЗИСТОРІВ

Мета роботи: визначити електрофізичні характеристики МДН-транзистора на основі SiО₂, використовуючи вихідні дані та характеристики матеріалу.

Теоретичні відомості

Найбільше поширення в ІС із МДН-транзисторів одержали транзистори з індукованим каналом [1 – 6].

Електричні характеристики. На рис. 4.1 подано структуру МДН-транзистора з p-каналом. Канал позначений на рисунку штриховою лінією.

Лаб

Рисунок 4.1 – Структура МДН-транзистора з

індукованим p-каналом

Зазвичай електрод витоку з'єднаний з напівпровідниковою пластиною. На рис. 4.2 подано вихідну ВАХ транзистора [1 – 6].

Лаб

Рисунок 4.2 – Вихідні характеристики МДН-транзистора з

індукованим каналом p-типу

Зазвичай вихідна характеристика МДН-транзистора має вигляд

, (4.1)

питома крутість

, (4.2)

де , ‒ напруги між затвором і витоком, стоком і витоком, відповідно;

‒ гранична напруга;

‒ ширина каналу;

‒ довжина каналу;

‒ товщина тонкого підзатворного окислу.

Напруга, відповідна початку області насичення (полога ділянка ВАХ),

. (4.3)

При транзистор працює в області насичення. Підставляючи (4.3) в (4.1), одержуємо

, (4.4)

що відповідає області насичення. З (4.4) знайдемо крутість транзистора на пологій ділянці.

, (4.5, а)

або

. (4.5, б)

Диференціюючи вираз (4.1) за , одержуємо диференціальний опір транзистора на крутій ділянці

, (4.6)

а при опір каналу

. (4.7)

Швидкодія МДН-транзистора визначається двома основними параметрами: часом прольоту носіїв заряду через канал і сталою часу заряду ємності затвора через опір каналу . Зазвичай суттєво менший , і тому нехтують. Величина (постійної часу крутості) запишеться так:

, (4.8)

де ємність затвора

. (4.9)

Як матеріал затвора можуть використовуватися не тільки метали, але й високолегований полікристалічний кремній.

Для останнього

, (4.10)

де й – різниці потенціалів між серединою забороненої зони й рівнями Фермі для полікристалічного кремнієвого затвора й напівпровідникової пластини [1 – 6].

Змінюючи значення й, можна управляти граничною напругою, зокрема зменшувати в p-канальних транзисторах.

Температурна залежність параметрів.

Температурні залежності параметрів МДН-транзистора визначаються, в основному, температурними характеристиками власної концентрації носіїв і рухливості. Власна концентрація

, (4.11)

де – ширина забороненої зони при К.

Рухливість

, (4.12)

де – рухливість при температурі .

Змінення ширини забороненої зони й діелектричної проникності, як показує практика, виявляють суттєво менший вплив.

У температурній залежності напруги основну роль відіграє зміна значень і . Використовуючи співвідношення (3.5), (3.9), (3.11, б) і (4.11), одержуємо

, (4.13)

де

. (4.14)

З виразу (4.2), використовуючи (4.12), маємо

, (4.15)

де – питома крутість при температурі .

Температурну характеристику струму стоку в режимі насичення одержимо з (4.4), використовуючи (4.15) [1 – 6]:

. (4.16)

З аналізу виразів (4.13), (4.14) випливає, що при врахуванні полярності напруг і доданки в прямих дужках формули (4.16) мають різні знаки й при деякій напрузі .

Завдання

Розрахувати:

1) порогову напругу транзисторів з каналами п- та р-типів, виготовлених на кремнії. Матеріал електрода затвора, тип провідності напівпровідника, тип каналу та кристалографічна орієнтація кремнієвих пластин подані в табл. 4.1.

Таблиця 4.1 – Варіанти завдань

№ варіанта	Матеріал електрода затвора	Тип провідності напівпровідника	Тип каналу	Кристалографічна орієнтація підкладки
1	Mg	n	p
2	Al	p	n
3	Ni	n	p
4	Cu	p	n
5	Ag	n	p
6	Pt	p	n
7	Au	n	p
8	Mg	p	n
9	Al	n	p
10	Ni	p	n
11	Cu	n	p
12	Ag	p	n
13	Pt	n	p
14	Au	p	n
15	Al	n	p
16	Ni	p	n
17	Cu	n	p
18	Ag	p	n
19	Pt	n	p
20	Au	p	п

Для розрахунку використати такі вихідні дані: діелектрик SiO₂ товщиною см і діелектричною проникністю , , Ф/см, К. Для кремнію n-типу (канал р-типу) концентрація донорів см^-3, см^-3, см^-3. Для кремнію р-типу (канал n-типу) концентрація акцепторів см^-3, см^-3, см^-3. Результати обчислень подати як залежність . Для проміжних розрахунків використовувати аналітичні вирази та табличні дані, що подані в лабораторній роботі № 3;