Физика полупроводниковых приборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Курсовой проект

Физика полупроводниковых приборов

Выполнил:

Старосельский В.И.

МОСКВА

1. Расчет параметров кремниевого интегрального биполярного п-р-п транзистора

1.1 Задание

1. Разработать топологический чертеж транзисторной структуры.

2. Привести малосигнальную эквивалентную схему и объяснить смысл ее элементов.

3. При заданных исходных данных для V_BC= -2В, I_E= 1 мА (V_BE 0,8 В) рассчитать следующие параметры эквивалентной схемы:

- коэффициент передачи эмиттерного тока;

- барьерные емкости переходов E - B и K - B;

- диффузионную емкость перехода E - B.

4. Привести маршрутную карту изготовления транзистора.

Исходные данные

- технология изготовления: с боковой диэлектрической изоляцией.

- глубина технологического перехода эмиттер-база, мкм x_je = 0.9

- глубина технологического перехода коллектор-база, мкм x_jc = 1,8

- толщина эпитаксиального коллектора, мкм h_c = 7

- поверхностная концентрация эмиттерной примеси, см^-3 N_es = 2*10²⁰

- поверхностная концентрация базовой примеси, см^-3 N_bs = 6*10¹⁸

- концентрация примеси в эпитаксиальном коллекторе, см^-3 N_c = 10¹⁷

- максимальная концентрация примеси в n⁺- коллекторе, см^-3 N_c⁺ = 10¹⁹

- толщина n⁺- коллектора, см h_c⁺ = 3

- площадь эмиттерного перехода, мкм мкм a_eb_e = 310 = 30

- площадь коллекторного перехода, мкм мкм a_сb_с = 515 = 75

- время жизни неосновных носителей в эмиттере, мкс _e:= 30

- время жизни неосновных носителей в базе, мкс _b = 200

- время жизни неосновных носителей в коллекторе, мкс _c = 1000

Диффузанты: эмиттер, коллектор -- Р; база -- В; n⁺- коллектор -- As.

Концентрация примеси в подложке N_s = 10¹⁵см^-3

1.2 Теоретические сведения

транзистор эмиттерный ток электрический

Транзисторные структуры являются основными конструктивным элементом полупроводниковых ИС. Типовой технологический процесс изготовления ИС на биполярных транзисторных структурах сводится к формированию в пластине кремния структур чередующейся проводимости n-p-n типа с определенными электрофизическими параметрами и характеристиками (рис.1).

Конструктивное исполнение изолирующих областей оказывает существенное влияние на электрофизические характеристики и в значительной степени определяет топологические площади транзисторной структуры, вносящих основной вклад в частотные параметры транзисторов и быстродействие ИС.

В связи с этим в микроэлектронике классификацию транзисторных структур принято проводить на основе технологических методов создания межэлементной изоляции.

Применяемые в промышленности методы изоляции транзисторных структур можно разделить на три основных группы:

- диодная изоляция (изоляция обратно-смещенным p-n переходом коллектор- подложка);

- комбинированная изоляция (боковая диэлектрическая и донная диодная);

- полная диэлектрическая изоляция.

Диодная изоляция характеризуется большими размерами областей активной транзисторной структуры и межэлементной изоляции и соответственно большими паразитными емкостями p-n переходов, что ухудшает частотные свойства интегральных транзисторов и схем.

Принципиальным шагом в совершенствовании биполярной технологии и конструкций транзисторных структур явился переход на создание боковой диэлектрической изоляции (БДИ). В сравнении с обычными планарными конструкциями транзисторы с БДИ имеют меньшую общую площадь и меньшие емкости боковых изолирующих областей.

Полная диэлектрическая межэлементная изоляция ликвидирует паразитную емкость перехода коллектор - подложка и обеспечивает высокие граничные частоты транзисторных структур. Однако сложность технологии не позволяет достичь экономически выгодного процента выхода годных микросхем, что ограничивает ее применение.

Рисунок 1

В данной работе мы рассмотрим транзисторные структуры с боковой диэлектрической изоляцией.

Для изготовления таких структур на исходных высокоомного кремния формируются диффузией мышьяка локальные n+ скрытые слои, а затем эпитаксиальные n^-- -коллекторные слои. После создания тонкой (40-50 нм) демпфирующей пленки SiO₂ осаждается защитная пленка (80-100 нм) Si₃ N₄ осаждается, наносится пленка фоторезиста и создается в ней рисунок базовых и коллекторных областей. Затем плазмохимическим (или химическим ) способом вытравливаются углубления приблизительно до половины эпитаксиальной пленки, создаются p+ противоинверсные области и легированием ионами бора; удаляется резист и глубоким термическим окислением кремния формируются области БДИ.

Последние имеют специфический профиль, связанный с наличием двух характерных участков, известных под названием “птичья голова” и “птичий клюв”.

Наличие такого профиля не позволяет сделать узкими, менее 4 мкм, области БДИ между n+ контактными коллекторными областями и p-базовыми областями, что ограничивает степень интеграции структуры.

1.3 Маршрутная карта изготовления транзистора

Скрытый слой:

Окисление подложки для формирования маскирующего окисла.

Фотолитография.

Легирование области скрытого слоя.

Травление окисла.

Изоляция:

Выращивание эпитаксиального слоя.

Формирование маскирующего окисла.

Фотолитография.

Травление изолирующих канавок.

Базовая область:

Окисление.

Создание толстого изолирующего окисла.

Формирование маскирующего окисла, фотолитография, легирование области базы

(маска - изолирующий окисел).

Эмиттерная область:

Фотолитография.

Легирование области эмиттера и подлегирование области контакта к коллектору (маска - изолирующий окисел + фоторезист).

Контактные окна:

Формирование маскирующего окисла.

Фотолитография.

Травление окисла для создания контактных окон (маска - фоторезист).

Нанесение пленки Al.

Металлизация:

Фотолитография.

Создание линий межсоединений в схеме (маска - фоторезист).

1.4 Малосигнальная эквивалентная схема

Малосигнальная эквивалентная схема (рисунок 2) описывает работу транзистора в нормальном режиме, что позволяет существенно упростить схему, а так же учесть элементы которыми обычно принебрегают.

На рисунке приведена эквивалентная схема биполярного транзистора, построенная на основе модели Эберса-Молла. Схема описывает только малые переменные составляющие токов и напряжений, поэтому в ней нет источника тока, моделирующего тепловой ток закрытого коллекторного перехода. Инерционные свойства коэффициента передачи тока путем введения диффузионной емкости эмиттера С_ed. При этом коэффициент передачи в генераторе тока является действительным числом, не зависящим от частоты. Эмиттерный диод заменен дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода, которое может быть определено из соотношения:

Рисунок 2

Се_, Сс - барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов.

Сеd - диффузионная емкость эмиттерного перехода.

r_e - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

.

Сопротивление r_c и источник тока связаны с эффектом Эрли. Транзисторный эффект моделируется генератором тока . Заметим, что ток этого генератора связан не с полным током эмиттера , а только с той его частью, которая течет через сопротивление r_e. Часть эмиттерного тока, протекающая через барьерную емкость эмиттерного перехода C_e, не связана с инжекцией носителей заряда в базу и, конечно, не может отразиться на коллекторном токе.

1.5 Распределение донорной и акцепторной примесей

Концентрация акцепторов в базе вычисляется по формуле:

(1)

Lb - диффузионная длина примеси в базе,

Nbs - поверхностноя концентрация базовой примеси.

Чтобы найти диффузионную длину примеси в базе L_b, воспользуемся условием что в точке равной глубине технологического перехода коллектор-база x_jc, концентрация акцепторной примеси в базе N_ab равно концентрации примесе в коллекторе N_c:

N_ab(x_jc)=N_c (2)

Подставляя в (1) и выражая L_B получим:

(3)

Подставляя исходные данные получим L_B = 0,889 мкм.

Концентрация доноров в эмиттере равна:

(4)

Le - диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере,

Nes - поверхностная концентрация эмиттерной примеси.

На границе технологического перехода эмиттер-база x_je концентрация доноров в эмиттере равна:

(5)

Подставляя в (4) и выражая L_e получим:

(6)

L_E=0,420 мкм.

Зная концентрации в эмиттере, базе, коллекторе и подложке можно построить график распределения примеси. График изображен на рисунке 3.

Эффективность эмиттера:

, (7)

Где величина N_dmax составляет 4,3. 10¹⁸ см ^-3 для кремния легированного фосфором.

1.6 Расчет р-n переходов: толщин слоев и граничных концентраций примеси в плоскостях технологических переходов

Считая р-n переход линейным рассчитаем ширины обедненных областей в равновесии. Так же считаем, что расстояния одинаковы. Для расчета потребуется градиент концентрации примеси в эммитерном и коллекторном переходах:

(8)

(9)

N_E^' = 1.601*10²³ см - ⁴;

N_C' = 4.549*10²² см ^{- 4};

Рис.3. Распределение примеси

Контактная разность потенциалов линейного p-n перехода равна:

(10)

Где n_i = 1.6*10¹⁰ см - ³ - собственная концентрация;

T = 0.02587 тепловой потенциал;

Ширина обедненного слоя линейного перехода в равновесии:

(11)

Где = 11.9 Ф/см диэлектрическая проницаемость кремния;

0 = 8.85*10 - 14 Ф/см диэлектрическая проницаемость в вакууме;

e = 1.62*10 - 19 Кл заряд электрона;

Проведем три итерации с начальным приближением _ke⁽⁰⁾ = 0.8 В.

В

Аналогичный расчет и для коллекторного p-n перехода.

В результате вычислений получили следующие данные для коллекторного и эмиттерного переходов:

(12) (13)

(14) (15)

Зная ширины обедненных слоев можно рассчитать толщины базы и эмиттера в равновесии:

(16) мкм;

(17) мкм;

Граничные значения результирующей примеси в базе:

(18)

(19)

см ^{- 3};

см ^{- 3};

На рисунке 4 изображенно распределение результирующей примеси и интегральном биполярном транзисторе.

Расчет в рабочем режиме при напряжениях Vbc = - 2 B Vbe = 0.8 B и токе Ie = 0.1 мA.

(20)

(21)

мкм;

мкм;

Зная ширины обедненных слоев можно рассчитать толщины базы и эмиттера в рабочем режиме:

(22) мкм;

(23) мкм;

Граничные значения результирующей концентрации примеси в базе:

(24)

(25)

см ^{- 3};

см ^{- 3};

Средняя концентрация в базе:

(26)

см - ³;

1.7 Расчет коэффициента передачи эмиттерного тока

Коэффициент передачи эмиттерного тока является основным параметром транзистора, характеризующий степень проявления транзисторного эффекта. Его можно представит в виде:

(27)

Где N - коэффициент переноса неосновных носителей через базу;

N - эффективность эмиттера, коэффициент инжекции электронов через эмиттерный переход;

Рисунок 4. Примесный профиль

Эффективность эмиттера N равна:

(28)

где: Gb - число Гуммеля в базе;

Ge* - эффективное число Гуммеля в эмиттере (т.к. We>>Le толстый эмиттер);

(29)

где: D_n(x) - коэффициент диффузии электронов

Чтобы проинтегрировать выражение надо усреднить D_n(x) и вынести его из-под интеграла.

Среднее значение коэффициент диффузии равно:

(30),

используя соотношение Эйнштейна получим:

(31),

где: - подвижность электронов, которая является функцией концентрации в базе, а следовательно и координаты.

Зависимость (N) можно аппроксимировать выражением:

(32)

где: nL = 1300 см2/ В с;

N1 = 3*1015 см - 3;

N2 = 10 19 см - 3;

= 0.115.

Вычисляем подвижность по графику

Для см - ³ получаем подвижность равную = 509,99 см²/ В с. Подставляя значение в выражение(31) получим см²/с. Возвратимся к формуле (29) и вынесем за интеграл константу, а интеграл перепишем как :

(33)

G_b = 3,14*10¹² с^.см ^{- 4}

Эффективное число Гуммеля в эмиттере:

(34)

(35)

Нахождение среднего значения коэффициента инжекции дырок аналогично, различны только параметры.

(36)

где: pL = 480 см2/ В с;

N1 = 1016 см - 3;

N2 = 10 19 см - 3;

= 0.130.

Получаем подвижность равную = 50 см²/ В с. Подставляя значение в выражение (35) получим см²/с. Возвратимся к формуле (34) и подставим значения. В результате получим:

 (37)

Подставляя в (28) значения из (37) получим:

_N = 0.995 (38)

1 - _N = 0.005 (39)

Коэффициент переноса N равен вероятности пролета неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, до коллекторного перехода без рекомбинации в базе. Иначе можно записать:

(40)

где: Т - время пролета;

b - время жизни, по заданию равно 200 мкс ;

(41)

где: Tdiff - время пролета без учета дрейфа;

- фактор поля;

, T_diff = 0,185 нс;

, =0.805 ;

Подставляя эти значения в формулу (41) получим T = 0,145 нс.

В результате подстановки значений в (40) получили коэффициент переноса:

_N = 1.

1 - _N = 6,86*10 -⁷

Подставляя в формулу (27) значения _N и _N получаем коэффициент передачи равным _N = 0.995.

Коэффициент усиления базового тока равен:

Барьерные емкости переходов Э - Б и К - Б.

C_e = 8,558 *10 ^{- 14} Ф C_с = 2,179 *10 ^{- 14} Ф

Диффузионная емкость перехода Э - Б.

Om*m

Ф

Итоги

L_e=0,4207 мкм L_B = 0,8896 мкм

мкм

мкм

мкм мкм;

мкм мкм

см ^{- 3} см ^{- 3}

см ^{- 3} см ^{- 3}

см - ³ _N = 0.995

G_b = 3,14*10¹² с^.см ^{- 4}

T_diff = 0,185 нс =0.805

T = 0,144 нс _N = 1.

1 - _N = 6.186*10 - ⁷ _N = 0.995.

Ф

C_e = 8.558*10 ^{- 14} Ф C_с = 2.179*10 ^{- 14} Ф

V_Эрли= 2,319 В

2. Расчет электрических характеристик кремниевого интегрального п-канального МДП транзистора

2.1 Задание

1.При заданных исходных данных обеспечить пороговое напряжение V_t= +1В.

2.Рассчитать и построить выходные характеристики при V_BS = 0 в диапазоне напряжений

V_{D S} = 0 - 5 В;

V_{G S} = 0 - 5 В (шаг 1 В)-в приближении идеализированной модели,

V_{G S} = 4 В - реальная ВАХ.

3.Привести малосигнальную эквивалентную схему и объяснить смысл ее элементов.

2.2 Теоретические сведения

Структура металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) является основой целого ряда полупроводниковых приборов и, в частности, элементов интегральных микросхем. МДП-транзистор - это четырёх полюсный полупроводниковый прибор, Реальная структура МДП-транзистора с n-каналом выполненного на основе полупроводника p-типа показана на рис.5. Металлический электрод, создающий эффект поля называют затвором (G). Два других электрода называют истоком (S) и стоком (D). Эти электроды в принципе обратимы. Стоком является тот из них, на который (при соответствующей полярности напряжения) поступают рабочие носители канала. Если канал n-типа, то рабочие носители - электроны и полярность стока положительная. Исток обычно соединяют с основной пластиной полупроводника, которую называют подложкой(B).



Рисунок 5

Проводящий слой под затвором инверсного по отношению к подложке типа проводимости, соединяющий области стока и истока, называется каналом. В зависимости от способа формирования канала и типа его проводимости различают четыре основные модификации МДП-транзисторов: по типу проводимости p- и n- канальные, нормально закрытые и нормально открытые.

В нормально открытых МДП-транзисторах (со встроенным каналом), канал под затвором существует при нулевом напряжении на затворе. Изменяя величину и полярность напряжения на затворе можно регулировать проводимость канала. Напряжение, при котором канал будет отсутствовать, называется напряжением отсечки. В нормально закрытых МДП-транзисторах (МДП-транзисторы с индуцированным каналом) при нулевом напряжении V_G и канал отсутствует (транзистор находится в закрытом состоянии).

Усилительные свойства МДП-транзистора обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал, и управляемым электрическим

полем. Основным способом движения носителей заряда, обусловивших ток полевого транзистора, является их дрейф в электрическом поле. Полевой транзистор управляется напряжением (электрическим полем), посредством которого осуществляется изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате изменяется выходной ток транзистора. Токопроводящие каналы могут быть приповерхностными (транзисторы с изолированным затвором) и объемными (транзистор с управляемым p-n переходом). В курсовой работе рассматривается транзистор с изолированным затвором. Он имеет классическую структуру металл - диэлектрик -полупроводник (МДП-структуру), в которой роль диэлектрика играет оксид SiO₂. Поэтому полевой транзистор с такой структурой часто называют МДП или МОП транзистором. Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный не семеричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключён к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом на затвор; с общим стоком и входом на затвор; с общим затвором и входом на исток. Проводимость инверсного канала модулируется при изменении потенциала затвора. Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжением Vt.

2.3 Краткая маршрутная карта МДП-транзистора

Шаблон тонкого окисла.

Фотолитография (нанесение фоторезиста, совмещение шаблона, экспанирование, проявление), подзатворное окисление.

Шаблон затвора.

Нанесение поликремния, фотолитография, вытравливание затвора, ионное легирование и термический обжиг n- областей.

Шаблон контактных окон.

Нанесение маскирующего окисла, фотолитография, травление окисла для создания контактных окон.

Шаблон металлизации.

Нанесение металла, фотолитография, вытравливание в зазорах между шинами металлизации.

2.4 МДП-транзистор. Исходные данные

1.Материал затвора Si

2.Длина канала, мкм L = 2

3.Ширина канала, мкм W = 30

4.Толщина подзатворного диэлектрика (SiO₂), мкм d = 0,04

5.Концентрация примеси в подложке, см^-3 N_B = 1.10¹⁶

6.Подвижность электронов в канале, см² /Вс _n = 400

7.Плотность поверхностных состояний, см^-2 N_SS = 310¹⁰

8.Концентрация примеси в контактных n+- слоях, см^-3 N⁺ = 10²⁰

9.Толщина контактных n+- слоев, мкм x_J = 0,5

Общие данные:

e = 1,6210^-19 Кл - заряд электрона,

₀ = 8,8510^-14 Ф/см - диэлектрическая проницаемость вакуума,

= 11,9 - относительная проницаемость Si,

_d = 3,4 - относительная проницаемость диэлектрика,

Es = 1,510⁴ В/см - продольное электрическое поле в канале,

Vt = 1B - пороговое напряжение,

Расчет и корректировка Vt0

Пороговое напряжение V_t = V_GS это напряжение при котором возникает канал. Рассчитывается по формуле (1) при условии, что подложка заземленна V_BS = 0:

(1)

где: GB - контактная разность потенциалов затвор - полупроводник,

B, G-их потенциалы соответственно,

Qss - поверхностная плотность поверхностного заряда,

QSB- поверхностная плотность заряда в канале,

Cs удельная емкость диэлектрика.

Распишем каждую cостовляющую:

Контактная разность потенциалов находится из соотношения:

(2)

В качестве затвора используется поликремний.

(3)

где: Фi - термодинамическая работа выхода из собственного полупроводника (величина постоянная);

Еg = 1,12 эB - ширина запрещенной зоны.

Пусть затвор n+ - Si*,

(4)

(5)

(6)

где: Т == 0,025875 B - температурный потенциал;

ni = 1,61010 см-3 - собственная концентрация;

В результате подстановки данных получим _В = 0.345 В. Подставляя это значение в (5) получим _GB = -0.905 В.

Поверхностная плотность поверхностного заряда:

(7)

Q_SS = 4.8610^-9 Кл/см².

Поверхностная плотность заряда в канале Q_SB:

Q_SB (V_BS) = - eN_B l _t (V_BS) (8)

где: l t(VBS) -пороговая ширина ОПЗ под затвором.

(9)

где: e = 1,6210-19 Кл - заряд электрона,

0 = 8,8510-14 Ф/см - диэлектрическая проницаемость вакуума,

= 11,9 - относительная проницаемость Si,

Так как подложка заземленна V_bs = 0 и l_t = 0,299 мкм. Подставляя в (8) получим Q_SB = -4,854 10^-8 Кл/см²_.

Удельная емкость диэлектрика Cs:

(10)

C_S =7,52210^-8 Ф/см².

Подставляя в (1) все значения получим пороговое напряжение Vt₀ = 0.366 В.

По условию требуется обеспечить Vt₀ = 1 В. Vt₀ = Vt - Vt₀ = 0,634 B.

Так как необходимо обеспечить Vt₀ = 1 В то следует сделать p+Si* затвор, тогда

Vt₀ = 1,486 В ; Vt₀ = Vt - Vt₀ = -0,486 B.

Так как Vt₀ <0, то под затвором необходимо выполнить подлегирование примесью n-типа в тонком слое толщиной x.

Таким образом примесная доза Dа составит:

Da = = 2,257 10¹¹ см^-2,

Выберем x = 0,1x_J = 5 мкм,

Тогда изменение концентрации доноров Nd = = 4,51410¹⁶ см^-3.

Идеальная ВАХ.

Допущения:

подвижность носителей заряда в канале постоянна;

канал легирован однородно;

обратные токи утечки p-n переходов пренебрежимо малы;

поперечное электрическое поле значительно превышает продольное;

длина и ширина канала достаточно велики;

поперечный диффузионный ток в канале отсутствует;

Вид ВАХ полностью определяется двумя параметрами: пороговым напряжением и параметром в, который находится из соотношения:

в = м_n•Cs• =451 мкA/B²;

Vdss(Vgs) = Vgs -Vt, Id = Id(Vds,Vgs):

Рис.6 ВАХ идеального диода

При построении реального ВАХ необходимо учитывать влияние подложки. В идеальной модели не учитывалось изменение ширины ОПЗ вдоль канала, приводящее к уменьшению тока. ВАХ транзистора оисывается соотношением:

Крутая область:



где: цds - коэффициент подложки, зависящий от свойств подзатворого диэлектрика и подложки.

ц_ds = =0,603 В.

о(Vbs) = 0,5+

-поправочный коэффициент для реального Vdss,

о(0) = 1,57

Реальный ток стока:

Vdss(Vgs,Vbs)= Vgs-V_t-ц_ds?о(Vbs) ,

Ток стока для пологой области:

I_dпол(Vds,Vgs) = Ids(Vgs)?.

Список литературы

1. Старосельский В.И. Физика МДП транзисторов. М.: МИЭТ, 1993.

2. Старосельский В.И. Физика р-п переходов и полупроводниковых диодов. М.: МИЭТ, 1993.

3. Старосельский В.И. Физика биполярных транзисторов. Бездрейфовые транзисторы. М.: МИЭТ, 1989.

4. Старосельский В.И., Сквира А.В. Физика биполярных транзисторов. Интегральные транзисторные структуры. М.: МИЭТ, 1991.

5. Баринов В.В., Онацко В., Шишина Л.Ю. Основы топологического проектирования ИМС. -- под ред. В. Онацко. М.: МИЭТ, 1994.

Размещено на Allbest.ru

...