Geum.ru

Основы микроэлектроники (курс лекций)

Вид материалаКурс лекций

Содержание


Конец лекции 21
Uзи рассчитываем крутизну по формуле (производная от (3)):S
Uзи: 3,3; 4,3; и 5,3 В. Границу насыщения определяем с помощью передаточной характеристики и условия U
Репрограммируемые логические элементы на основе МДП-структур
Репрограммируемый элемент на основе МДП-транзистора с плавающим затвором
Vси = 50 В в течение около 5 мс. Это вызывает лавинный пробой истокового или стокового р-n
Приборы с зарядовой связью (ПЗС)
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8

Конец лекции 21




Лекция 22



Пример расчета параметров МДП-транзистора



ЗАДАНО:

1. Структура: МДП-транзистор на основе кремния, с алюминиевой металлизацией и подзатворным диэлектриком из двуокиси кремния, и индуцированным каналом n-типа.

2. Геометрические размеры: Толщина SiO2 d = 0,1 мкм, длина канала L = 5 мкм, ширина Z = 500 мкм.

3. Электрофизические параметры: Концентрация акцепторной примеси Na = 3.1016 см-3, плотность поверхностных зарядов Nss = 2.1011 см-2, подвижность электронов в канале n = 600 см2/(В.с), разность работ выхода алюминия и кремния с этой концентрацией примеси (в вольтах) V0 = –0,8 В, диэлектрическая проницаемость двуокиси кремния SiO2 = 4.


ОПРЕДЕЛИТЬ:

1. Основные электрические параметры: пороговое напряжение Uпор, емкость затвор-канал Сзк.

2. Передаточную характеристику Ic = f(Uзи) и ее крутизну в области насыщения.

3. Семейство выходных характеристик Ic = f(Ucи) при разных Uзи .

4. Максимальную рабочую частоту fmax.


ПОРЯДОК РАСЧЕТА:


1. Определяем основные электрические параметры. Пороговое напряжение рассчитываем по формуле (1), выведенной на прошлой лекции. При расчете нужно учесть знаки входящих в формулу слагаемых. Для МДП-транзистора с каналом n-типа положительный поверхностный потенциал в SiO2 и к.р.п. для МДП-структуры, в сумме составляющие V0F = V0 + Qss/C0, будут способствовать образованию индуцированного канала, поэтому знаки соответствующих слагаемых будут противоположными знаку дополнительно прикладываемого напряжения V0B, необходимого для образования инверсионного слоя. Итак, пороговое напряжение


Uпор = V0F + V0B = V0 + Qss/C0 + 2VFS + Q /C0 . (1)


– 43 – Лекция 22


Вычислим компоненты формулы, необходимые для определения порогового напряжения. Удельная емкость между затвором и подложкой (когда S = 1)


C0 = SiO2 .0 / dSiO2 = 4  8,86.10–14/(0,1.10–4) = 3,54.10-8 Ф/см2 = 354 пФ/мм2.


Напряжение на ОПЗ — то, которое равно 2VFS:


2VFS = 2 T .ln(Na/ni) = 2  0,026  ln(3.1016/(2.1010) = 0,74 В.


Ширина ОПЗ в области возле канала под затвором:

______________ _____________________________________

 = ..Si.2VFS/(q.Na) =  2  12  8,86.10-14  0,74 / (1,6.10–19  3.1016) =

= 1,8 . 10–5 см = 0,18 мкм.


Плотность заряда в ОПЗ:

Q = qNa = 1,6.10–19  3.1016  1,8.10–5 = 8,64.10–8 Кл/см2.

Плотность поверхностного заряда в двуокиси кремния:

Qss = q.Nss = 1,6.10–19  2.1011 = 3,2.10–8 Кл/см2.

Теперь, когда все элементы формулы (1) у нас определены, можно найти пороговое напряжение:


Uпор = –0,8 – (3,2.10–8) / (3,54.10–8) + 0,74 + (8,64.10-8) / (3,54.10–8) = –1,7 + 3,18 = 1,48 В.


(Пойдем на маленькую хитрость: для красоты графиков удобнее взять цифру Uпор = 1,3 В.)


Здесь следует воспользоваться формулами для крутого и пологого участков ВАХ (формулы взяты из курса ФОЭП, прочитанного в прошлом семестре).

Для крутого участка (нарастания тока в канале) (здесь индекс "д" — диэлектрик):

0дn Uси2

Ic = –––––––– [(Uзи – Uпор) . Uси – –––– ]. (2)

d . L 2


Для участка насыщения (после перекрытия канала):

0дn

Ic = –––––––– (Uзи – Uпор)2 . (3)

2 d . L

2. Рассчитываем передаточную характеристику по формуле (3) (размеры в см):


4  8,86.10–14  600  500.10–4

Ic = ––––––––––––––––––––––––– (Uзи – 1,3)2 = 1,05.10–3(Uзи – 1,3)2 .

2  0,1.10–4  5.10–4

Задавая значения Uзи, получаем:


Uзи, В
1,8
2,3
2,8
3,3
3,8
4,3
4,8
5,3

Ic, мА
0,25
1,05
2,4
4,2
6,6
9,4
12,9
16,8

S, мА/В
1,05
2,1
3,2
4,2
5,3
6,3
7,4
8,5



– 44 – Лекция 22 – 23


Передаточная характеристика изображена на рисунке внизу и слева. Для тех же значений Uзи рассчитываем крутизну по формуле (производная от (3)):


S = дnZ/(d.L)  (Uзи – Uпор) = 2,1.10–3 (Uзи– 1,3) (см. третью строку таблицы) .


3. Расчет выходных характеристик. Строится только восходящий участок по формуле (2). Точки даны для трех Uзи: 3,3; 4,3; и 5,3 В. Границу насыщения определяем с помощью передаточной характеристики и условия Uси,нас = Uзи – Uпор.



4. Для оценки частотных свойств транзистора нам еще понадобится емкость "затвор-канал":

Сзк = д LZ / d = С0 LZ .


Удельная емкость была уже вычислена ранее: С0 = 354 пФ/мм2. Поэтому

Сзк = 354  5.10–3  500.10–3 = 0,88 пФ.

Максимальную рабочую частоту определяем при Uзи = 2 Uпор = 2,6 В по формуле

fmax = S/(2.Cзк) = 2,75.10–3 / (2  3,14  9.10–13) = 5 . 108 Гц.


(Конец расчета)

(Конец лекции 22)


Лекция 23
Репрограммируемые логические элементы на основе МДП-структур


Данные приборы относятся к классу так называемых электрически программируемых матриц. Если нужно быстро сделать ПЗУ (пассивное запоминающее устройство, информацию в котором не требуется изменять — часто встречающиеся константы, подпрограммы вычисления функций и т.д.) или какой-то дешифратор, который не нужно перестраивать, можно использовать так называемые ПЛМ — программируемые логические матрицы. Это — диоды и транзисторы, выстроенные рядами в длину и в ширину и имеющие какие-то проводные связи друг с другом — шины, отводы, перемычки и т.д. Подачей достаточно больших токов на перемычки их пережигают и создают раз и навсегда фиксированную функцию БИС. То же самое можно сделать, подавая достаточно большие Vобр на диоды и пробивая их. Перепрограммировать такие БИС уже нельзя. Было бы удобно, если бы электрическим путем можно было изменять функции БИС, если это требуется.

Такие устройства — со стиранием и перезаписью реализуемых функций существуют и называются репрограммируемыми логическими матрицами (РПЛМ).


– 45 – Лекция 23

Репрограммируемый элемент на основе МДП-транзистора с плавающим затвором





Поликремниевый плавающий затвор гальванически не связан с другими цепями. В исходном состоянии этот транзистор не имеет проводимости между стоком и истоком. Для перевода транзистора в открытое состояние (запись) прикладывается достаточно

большое Vси = 50 В в течение около 5 мс. Это вызывает лавинный пробой истокового или стокового р-n-перехода и инжекцию электронов в поликремниевый затвор. Заряд электронов, порядка 107 Кл/см2, захваченный затвором, индуцирует р-канал и может сохраняться многие годы после снятия напряжения Vси.

Стирание информации осуществляется при облучении поверхности структуры ультрафиолетовыми лучами с энергией, достаточной для выбивания электронов из затвора и переноса их в подложку. Стирание также можно выполнить, используя ионизирующее, например, рентгеновское излучение.


Считывание информации из матрицы происходит при подаче напряжения питания

5  15 В и контроле тока, проходящего через транзистор. Для организации выборки опре-деленных ячеек в матрицу, последовательно с транзисторами с плавающими затворами включают обычные МДП-транзисторы.

Недостатком таких ПЛМ является невозможность выборочной перезаписи информации. Поэтому разработан еще один элемент, в котором эта возможность реализована.


В МДП-транзисторы с плавающим затвором вводят еще один затвор, который позволяет осуществить выборочную перезапись и исключить из матрицы транзисторы выборки. В этой конструкции канал образуется только тогда, когда на З1 накоплен заряд электронов и когда на З2 поступает сигнал считывания.




МДП-транзистор с плавающим затвором

и затвором выборки (считывания)

1 — часть канала, открываемая затвором З1;

2 — часть канала, открываемая затвором З2


Приборы с зарядовой связью (ПЗС)


Прибор с зарядовой связью представляет собой совокупность взаимодействующих МДП-конденсаторов. Взаимодействие обеспечивается общностью полупроводникового слоя и малым расстоянием между МДП-структурами.



– 46 – Лекция 23 – 24


Принцип действия ПЗС состоит в том, что в каждой отдельной МДП-структуре можно создавать локальный приповерхностный заряд неосновных носителей (зарядовый пакет) и перемещать его вдоль поверхности — от одной МДП-структуры к другой, меняя должным образом напряжения на металлических электродах. Как создается этот пакет, мы не будем здесь обсуждать. Это можно прочитать в книге Калниботского "Расчет и ... ", стр. 123, и посмотреть на рис. 3-21б (с помощью инжектирующего р-n-перехода).

Поскольку общность полупроводникового слоя принципиальна для работы ПЗС, его формально можно рассматривать как особый полупроводниковый прибор, который нельзя осуществить и даже смоделировать на дискретных компонентах, таких, как транзисторы. Однако то, что ПЗС состоит из множества технологически объединенных МДП-структур, позволяет считать его типичным продуктом микроэлектроники, т. е. интегральной схемой и даже БИС, так как число МДП-структур в нем достигает нескольких тысяч.

(Конец лекции 23)