Проектування польового транзистора з ізольованим затвором та індукованим каналом p-типу (КП301Б)

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ОПЗ — область просторового затвору В — витік С — стік З — затвор

U_ЗВ — напруга на затворі - виток

U_пор — напруга порогова

U_СВ — напруга стік-витік

I_C — струм стока

S — крутість характеристики ВАХ — вольт-амперна характеристика

Uпорнапруга при якій створюється канал МОНметал-окисел-напівпровідник МДН — метал — діелектрик — напівпровідник транзистор

ВСТУП Польовим транзистором називається електроперетворювальний прилад, в якому струм каналу управляється електричним полем, що виникає з прикладенням напруги між затвором і витоком, і який призначений для посилення потужності електромагнітних коливань.

Каналом називається центральна область транзистора. Електрод, з якого в канал входять носії заряду, називається витоком, а електрод, через який основні носії йдуть з каналу — стоком. Електрод, що служить для регулювання поперечного перерізу канал називається затвором.

Так як у польових транзисторах струм визначається рухом носіїв тільки одного знака, раніше їх називали уніполярними, що підкреслювало рух носіїв заряду одного знака.

Польові транзистори виготовляють з кремнію і, в залежності від електропровідності вихідного матеріалу, підрозділяють на транзистори з p-каналом і транзистори з n-каналом.

Головні переваги польових транзисторів — високий вхідний опір.

Ідея пристрою польового транзистора з керуючим p-n-переходом належить У. Шоклі (1952 р.), а транзистора з ізольованим затвором — М. Атолл і Д. Кангу (1960 р.).

В даній роботі розраховано та експериментально підтверджено властивості польового транзистора КП301Б.

1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Класифікація та умовні позначення транзисторів Класифікація і умовні графічні позначення польових транзісторів наведено на рисунку 1.1

Рисунок 1.1- Класифікація та умовні графічні позначення польових транзисторів

1.2 Польові транзистори з ізольованим затвором

У транзисторах з ізольованим затвором затвор відділений від напівпровідникового каналу тонким шаром діелектрика. Інакше ці прилади називають МДН-транзистори (метал-діелектрик-напівпровідник). МДн-транзистори виготовляють з кремнію. В якості діелектрика використовують оксид (оксид) кремнія SiO2, звідси й інша назва — МОН-транзистори (метал-оксид-напівпровідник). Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір (1012−1014 Ом). Принцип дії МДН-транзисторів заснований на ефекті зміни провідності приповерхневого шару напівпровідника на границі з діелектриком під впливом поперечного електричного поля. Приповерхневий шар напівпровідника є струмоведучих каналом.

1.3 МДН-транзистори з вбудованим каналом Структура та схема включення МДН-транзистора з вбудованим каналом наведено на рисунку 1.2.

У вихідній пластині чистого або слаболегованого кремнію (p-типу), званого підкладкою, створені області стоку, каналу і витоку n-типу. Четвертий електрод — підкладку в більшості схем з'єднують з витоком. Подачею керуючої напруги Uзв на затвор транзистора, за рахунок створюваного електричного поля в його структурі, здійснюється керування величини струму стоку Iс.

Розглянемо характеристики МДН-транзистора з вбудованим каналом. ВАХ польових транзисторів з ізольованим затвором в основному аналогічні характеристикам транзисторів з керуючим p-n-переходом.

Стокові (вихідні) характеристики транзистора Ic = f (Uси) при Uзи = const наведено на рисунку 1.3.

Ізольований затвор дозволяє працювати в області позитивних зна-чення напружень затвор-витік Uзв. На рисунку 1.3 показані три сімейства ви-хідні характеристик залежно від значень напруги Uзв.

Рисунок 1.2 — Схема включення МДН-транзистора з вбудованим каналом Перше сімейство (Uзв = 0). Струм стоку Iс визначається вихідною провідністю каналу. При малих значеннях вплив напруги Uсв на провідність каналу мало, тому що в міру наближення до стоку, потенціал зростає і збільшується запірний шар (модуляція). При збільшенні значень напруги Uсв канал звужується, струм зменшується. У точці б канал звужується до мінімуму.

Рисунок 1.3 — Стокові (вихідні) характеристики МДН-транзистора з вбудованим каналом Друге сімейство (Uзв <0). При Uзв <0 електричне поле виштовхує електрони, що призводить до зменшення концентрації їх у каналі, знижуючи його провідність. Цей режим називається режимом «збідніння» каналу.

Третє сімейство (Uзв> 0). При Uзв> 0 електричне поле притягує елек-трони з p-області, збільшується концентрація їх і підвищується провідність каналу. Цей режим називається режимом «збагачення» каналу носіями.

Стоко-затворна (передавальна) характеристика Ic = f (Uзв) при Uсв = const наведена на рисунку 1.4.

Рисунок 1.4 Стоко-затворна (передаточна) характеристика МДН-транзистора з вбудованим каналом Змінюючи полярність і значення напруги затвор-витік Uзв, можна викликати провідність каналу і, отже, струм стоку Iс при незмінному значені напруги стік-витік Uсв. На відміну від польових транзисторів з керуючим p-n-переходом, при цьому змінюється не площа перерізу каналу, а концентрація основних носіїв заряду.

1.4 МДН-транзистор з індукованим каналом Схема включення МДН-транзистора з індукованим каналом приведена на рисунку 1.5.

Рисунок 1.5 Структурна схема МДН-транзистора з ізольованим затвором індукованим каналом p-типу Канал провідності струму в цьому типі транзистора не створюється, а індукується завдяки припливу електронів з p-області при прикладеній до затвору напруги позитивної полярності. Транзистор з індукованим каналом працює тільки в режимі збагачення. ВАХ транзистора з індукованим каналом наведено на рисунку 1.6. А еквівалентна схему МДНтранзистора з ізольованим затвором та індукованим каналом зображено на рисунку 1.7.

1.5 Переваги і недоліки польових транзисторів Перевагами польових транзисторів є:

1) високий вхідний опір, що відповідає підвищеному коефіцієнту підсилення по потужності керування;

2) обумовленість робочого струму тільки основними носіями заряду і, як наслідок, висока швидкодія. Час перемикання сучасних МОН-транзисторів Рисунок 1.6 Вольт-амперные характеристики транзистора з індукованим каналом: а — стокова I_c = f (U_св) при U_зв = const (вихідна);б — стоко-затворна Iс = f (U_зв) при U_св = const (передаточна) Рисунок 1.7 — Еквівалентна схема складає одиниці наносекунд. Така швидкість перемикання обумовлена тим, що в них практично виключені струми накопичених зарядів неосновних носіїв;

3) майже повне розділення вихідного сигналу від вхідного;

4) малий рівень шумів;

5) можливість роботи на високій частоті (до 100 кГц).

До недоліків польових транзисторів можна віднести:

1) низькі значення комутованого струму (десятки ампер) і напруги (до 500−600 В);

2) високі значення прямих втрат внаслідок великого опору у включеному стані (0,2−0,5 Ом).

Польові транзистори мають таке ж маркування як і біполярні, але з заміною другої літери на букву П. Наприклад, КП-302 А, КП-904 Б.

1.6 Польові транзистори на сучасному етапі

Про реальний вид нових приладів можна судити по мікрофотографії ділянки мікросхеми з такими транзисторами (рис. 1.8). На малюнку видно, що області приладу геометрично чітко помітні і що їх виготовлення поки досить добре контролюється.

Ми вживаємо слово «пока» тому, що розміри деяких областей таких приладів (перш за все товщина діелектрика затвора) наблизилися до розмірів атомів і товщина діелектрика складає декілька атомних шарів.

В своїй доповіді один із засновників корпорації Intel Гордон Мур приводить унікальні мікрофотографії вирізки області каналу у польових транзисторів. Отримані за допомогою електронного мікроскопа з величезним збільшенням (сотні тисяч разів) ці мікрофотографії (рис. 1.9) дозволяють спостерігати окремі атоми, які виглядають, як сфери Рисунок 1.8 — Мікрофотографія ділянки мікросхеми.

У звичайних польових транзисторів, виконаних по 90 нм технологічному процесу (рис. 1.9 зліва), товщина діелектрика досягає 1,2 нм, а у нових транзістороввсього 5 атомів. Такий тонкий шар не дуже контрольований, що веде до появи помітних струмів витоку. У нових транзисторів (рис. 1.9 справа) товщина нового діелектрика помітно збільшена (до 3 нм).

Рисунок 1.9 — Вирізки області каналу у польових транзисторів Це різко (приблизно у сто разів) зменшило струми витоку, що також дозволяє зменшити робочі струми транзисторів. Дія затвора збережена, оскільки новий діелектрик має підвищену діелектричну проникність.

В цілому всі ці тонкощі структури і технології виготовлення інтегральних польових транзисторів означають зменшення їх розмірів і підвищення робочих частот при одночасному зниженні робочої напруги, струмів і розсіюваної потужності. Розрахунки показують, що щільність упаковки транзисторів в мікросхемі зростає в тисячі разів, і це означає новий технологічний прорив у виробництві СБІС.

В роботі B. Doyle, представленою в матеріалах другого форуму IDF в Москві (кінець 2003 р.), були представлені матеріали по дослідженню і математичному моделюванню транзисторів трьохзатворів. Досліджуваний зразок приладу (рис. 1.10) має нікчемно малі розміри.

Рисунок 1.10 — Трьохзатворний транзистор На рисунку 1.11 представлено сімейство вольт-амперних вихідних і передавальних характеристик цього приладу. Вони наочно показують нам можливість роботи нових приладів при робочій напрузі 1 В і нижче. Услід за Intel про розробку швидкісного польового транзистора трьохзатвора оголосила і компанія AMD. Її транзистори також створюються на основі структури SOIкремній на ізоляторі.

Надтонка струмопровідна підкладка, створена із збідненого кремнію на ізоляторі (FDSOI), оточена з трьох боків затворами з силіциду нікелю. У такій структурі також відбувається розтягування кремнію на підкладці і збільшується рухливість носіїв струму. AMD стверджує, що досягнутий додатковий приріст швидкодії транзисторів на 50%.

Рисунок 1.11 — сімейство ВАХ трьох затворного транзистора Перспективи розвитку напівпровідникової промисловості встановлюються в проекті ITRS (Міжнародний технологічний план випуску напівпровідників). Нові польові транзистори трьохзатворів перевершують показники, представлені в цьому проекті на 2009 рік.

2. ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

2.1 Схема та вихідні дані МОП-транзистора Маємо польовий транзистор на основі кремнію з ізольованим затвором та алюмінієвою металізацією і підзатворним діоксидом кремнію з індукованим каналом p-типу електропровідності.

Таблиця 2.1 — Вихідні дані МОПтранзистора

Схема транзистора зображена на рисунку 2.1

Рисунок 2.1 — Схема польового транзистора з ізольованим затвором і каналом p-типу

2.2 Розрахунок основних електричних параметрів Розрахуємо питому ємність між затвором і підложкою:

Напруга на ОПЗ буде складати:

Тепер розрахуємо ширину ОПЗ:

Густину заряду ОПЗ розрахуємо за наступною формулою:

і густину поверхневого заряду в діоксиді кремнію

Тепер маємо всі дані для розрахунку порогової напруги, яку розрахуємо наступним чином:

Ємність затворканал склала:

2.3 Розрахунок передаточних характеристик В передаточні характеристики входять струм стоку, напруга затвор-витік, та крутизна.

Струм стоку отримаємо за формулою:

Для того, щоб розрахувати струм стоку необхідно задати значення напруги на затворі - витік. Запишимо ці значення у вигляді таблиці:

Таблиця 2.2 — Напруга на затворі

На основі таблиці 2.2 та формули (2.1) розрахуємо струм стоку:

Аналогічно розрахуємо Ic1, Ic2, Ic3 і т.д. Отримані дані занесемо до таблиці 2.3.

Запишимо формулу для крутизни характеристик:

(2.2)

Використовуючі дані з таблиці 2.2 маємо:

Змінюячи значення напруги Uзв отримаємо відповідні S, які також занесемо до таблиці 2.3.

Таблиця 2.3 — Таблиця передаточних характеристик і крутизни

2.4 Розрахунок вихідних характеристик Розрахуємо вихідні характеристики за допомогою формули:

Підбираючи значення Uзв та Uсв отримаємо наступні значення струму:

В та занесемо їх до таблиці 2.4.

Таблиця 2.4 — Дані вихідних характеристик

2.5 Розрахунок максимальної робочої частоти, вхідного і вихідного опору Максимальну робочу частоту отримаємо за формулою (2.4) при U_ЗВ = 2 Uпор = 6, 38 В Вхідний і вихідний диференціальний опір розрахуємо за формулами (2.5) та (2.6)

Опори склали відповідно Rвх = 531 Ом Rвих= 2,2 КОм

2.6 Експериментальні дані

Для перевірки правильності математичних розрахунків та наявності похибки було знято експериментальні дані для транзистора КП301. Які наведені нижче.

Таблиця 2.5 — Передаточні характеристики Таблиця 2.6 — Вихідні характеристики

На основі математичних та експериментальних даних збудуємо ВАХ стокових та стоко-затворних характеристик (додаток А).

ВИСНОВКИ польовий транзистор схема канал В даному курсовому проекті визначили всі основні характеристики польового транзистора КП301: вхідний та вихідний диференціальний опори Rвх = 531 Ом, Rвих = 2,2 КОм, крутизну S = 1, 028 мАВ, максимальну частоту fmax = 119 МГц. На основі одержаних даних побудували ВАХ.

Як бачимо, польовий транзистор має високі властивості і тому значна частина вироблених в даний момент польових транзисторів входить до складу КМОП-структур, які будуються з польових транзисторів з каналами різного p-і n-типу провідності і широко використовуються в цифрових і аналогових інтегральних схемах.

За рахунок того, що польові транзистори управляються полем (величиною напруги прикладеного до затвора), а не струмом, що протікає через базу (як в біполярних транзисторах), польові транзистори споживають значно менше енергії, що особливо актуально в схемах малого споживання та енергозбереження (реалізація сплячих режимів).

Грандіозними темпами розвиваються галузі застосування потужних польових транзисторів. Їх застосування в радіопередавальних пристроях дозволяє отримати підвищену чистоту спектру випромінюваних радіосигналів, зменшити рівень перешкод і підвищити надійність радіопередавачів. У силовій електроніці ключові потужні польові транзистори успішно замінюють і витісняють потужні біполярні транзистори. У силових перетворювачах вони дозволяють на 1−2 порядки підвищити частоту перетворення і різко зменшити габарити і масу енергетичних перетворювачів. У пристроях великої потужності використовуються біполярні транзистори з польовим управлінням (IGBT) успішно витісняють тиристори. У підсилювачах потужності звукових частот вищого класу HiFi і HiEnd потужні польові транзистори успішно замінюють потужні електронні лампи, які мають малими нелінійними і динамічними спотвореннями.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1.Л. Росадо «Физическая электроника и микроэлектроника» М.-«Высшая школа» 1991 — 351 с.: ил.

2. И. П. Степаненко «Основы теории транзисторов и транзисторных схем», изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1973. 608 с. с ил.

3. http://transistor.dp.ua/