Конструирование микросхем на МДП структурах

Конструирование микросхем на МДП структурах

В производстве интегральных схем используется МДП-транзисторы с встроенным или индуцированным каналом.

В МДП транзисторах используется эффекты дрейфа основных носителей под действием продольного электрического поя и модуляция дрейфового тока поперечным электрическим полем. Работа основана только на одном виде носителей, поэтому он называется униполярным.

Базовая схема МДП интегральных схем – это инвертор, может использоваться как активный, так и в качестве нагрузки. Существует 48 вариантов использования МДП транзистора, как активного прибора. Но существует 192 варианта построения инвертора, но распространение получили инвертор с линейной, нелинейной, квазилинейной, токостабильной нагрузками и вариант КМОП транзистора.

Инверсия – это такой режим, когда приповерхностный слой отличается от объема кремния типом проводимости и инверсия будет тогда, когда концентрация дырок будет равна концентрации в объеме.

Окисел под затвором оказывает большое влияние на характеристики МДП – транзистора.

Заряд в окисле сильно влияет на характеристики. Он возникает, благодаря ионам примеси, дефектами в кристаллической решетке вблизи поверхности. Заряд располагается вблизи поверхности, он неподвижный и не зависит от типа проводимости подложки, но зависит от кристаллографической ориентации.

Пороговое напряжение – это напряжение на затворе необходимое для создания условия и режима сильной инверсии – это напряжение на затворе превышает контактную разность потенциалов, эквивалентной заряду Q равновесных состояний и превышает напряжение на границе диэлектрик-полупроводник, при которых концентрация дырок у поверхности будет превышать концентрацию в объеме.

В области I подчиняется закону Ома.

II – Вторая область

 ,

.

Пороговая область – это напряжение на затворе, при котором ток стока уменьшается до нуля.

Крутая область – напряжение на затворе достаточно велико для формирования канала.

Напряжение насыщения – канал перекрывается областью объемного заряда, длина канала при этом сокращается.

Основные параметры МДП – транзистора

Выходная в. а. х.: (I_c(U_c)) при U_з=const,

Передаточная в. а. х.: (I_c(U_з)) при U_с=const,

Пороговое напряжение: U₀,

Входное сопротивление: R_вх, МОм,

Паразитные емкости: С_зп, С_зи, С_зс, С_сп, С_си, С_ип,

Крутизна: ,

Коэффициент усиления: ,

Сопротивление канала: ,

Удельная крутизна: , ,

– подвижность носителей в канале, С – удельная емкость в затворе.

, ,

– полная емкость затвора,

,

 – характеризует предельные возможности транзистора.

Длина канала важный параметр структуры транзистора.

С ростом длины канала уменьшается крутизна стокозатворной характеристики. Для активного транзистора длину канала выбирают как можно меньше, исходя из разрешающей способности фотолитографии.

Пороговое напряжение не зависит от длины канала. При увеличении длины канала снижается крутизна в. а. х. .

Наклон в. а. х. В режиме насыщения определяется эффектом модуляции длины канала и будет слабее выраженной при большой длине, поэтому угол наклона уменьшается, а сопротивление внутреннее уменьшается пропорционально длине.

С ростом толщины диэлектрика уменьшается крутизна стоко – затворной характеристики, увеличивается пороговое напряжение. Для увеличения крутизны и ослабления влияния подложки толщину диэлектрика выбирают минимальной, исходя из возможностей технологии, при очень малой толщине d<<0,01 возможен протекание тока через диэлектрик в следствии туннельного эффекта , а также снижается напряжение пробоя у ухудшаются параметры транзистора.

При одних и тех же параметрах минимальная площадь транзистора в 3 – 5 раз меньше, чем у биполярного, ток насыщения МДП – транзистора менее 0,1 мА. Если требуется большой ток в выходных каскадах БИС, то пропорционально увеличивают