Расчет интегрального элемента на примере инвертора на транзисторах

 

Содержание

Задание

Введение

Расчет порогового напряжения

Расчет выходных характеристик

Транзисторы в качестве нагрузочного элемента

Передаточная характеристика инвертора

Время переключения инвертора

Выводы

Список используемой литературы

Приложение 1

Приложение 2

Задание

Концентрация акцепторных примесей

Толщина подзатворного оксида

Длина канала

Ширина канала

Напряжение источника

Дополнительные данные для расчета

Диэлектрическая проницаемость SiO2

Диэлектрическая проницаемость Si

Диэлектрическая постоянная

Концентрация свободных носителей

Подвижность свободных носителей

Введение

Микроэлектроника представляет собой область электроники, связанную с исследованиями поведения заряженных частиц в твёрдом теле под воздействием электрических, магнитных, электромагнитных и тепловых полей, а также с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении с использованием групповой технологии изготовления. В микроэлектронике предполагается интеграция элементарных электронных приборов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов). Поэтому синонимом микроэлектроники является понятие интегральная электроника.

Говоря о микроэлектронике, имеют в виду микрометровые размеры элементов, под интегральной электроникой подразумевают интеграцию этих элементов на кристалле микросхемы. Дальнейшее развитие микроэлектронных приборов связано с уменьшением размеров элементарных приборов до субмикронных и переход в нанометровый масштаб измерений. Таким образом, микроэлектронные приборы превращаются в наноэлектронные. При этом утрачивается групповая технология их изготовления.

Физические пределы в развитии приборов и устройств схемотехнической микроэлектроники достигнут своих критических значений в первом десятилетии двадцать первого века.

К этому времени ожидается появление интегральных схем с топологическими нормами порядка 0,1 мкм, выполненных с помощью литографических установок неоптического экспонирования. При этом произойдёт переход на пластины большого диаметра и размерами поля литографирования в пределах 25x52 мм. Проблема межсоединений, характерная для схемотехнической микроэлектроники, ограничит скорость внешнего обмена информацией величиной 3 ГГц, хотя транзисторы будут работать с частотой не менее 10 ГГц. Ожидается рост ёмкости ДОЗУ до 64 Гбит при плотности размещения ячеек 1010 см-2, а для микропроцессоров - 2x108 см-2. При этом с ростом диаметра обрабатываемых пластин резко возрастут издержки при производстве сверхбольших интегральных схем.

После достижения технологической зрелости будет достигнут физический предел значений степени интеграции и ожидается инерционное развитие рынков приборов схемотехнической микроэлектроники ещё в течение 5-10 лет. К этому времени быстродействие интегральных схем (ИС) будет уже недостаточным для решения задач обработки больших массивов информации по нескольким причинам.

Предельные показатели достижений микроэлектроники уже не смогут соответствовать набирающему силу научно-техническому прогрессу. Уже сейчас существует целый ряд задач, ждущих своего решения. Среди них - создание систем оперативного распознавания образов, искусственного интеллекта, синтеза конструкций и систем, разработка устройств параллельной обработки информации, устройств управления базой знаний и т. п.

Идут интенсивные поиски методов, разрабатываются устройства, предназначенные для обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени. Анализ схем цифровой обработки изображений показывает, например, что рост их быстродействия приближается к насыщению. При этом ряд упомянутых задач принципиально не может быть решён в рамках современных методов обработки больших информационных массивов, в частности, фон-неймановской схемы построения вычислительных систем.

Даже достигнув предельных значений быстродействия и степени интеграции в изделиях схемотехнической микроэлектроники, нельзя будет на их основе создать устройства, способные решать перспективные задачи обработки больших информационных массивов.

В этом случае возникает альтернатива: или искать пути сохранения тенденции экспоненциального роста степени интеграции интегральных схем и тем самым расширить возможности схемотехнической микроэлектроники, или искать принципиально новый подход при создании систем обработки больших информационных массивов.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы управляются напряжением на затворе, то есть ток, протекающий через транзистор, зависит от напряжения на затворе. Полевой транзистор включает в себя протяженную область полупроводника n-типа или р - типа, называемую каналом. Канал оканчивается двумя электродами, которые называются истоком и стоком. Кроме канала n-или р - типа, полевой транзистор включает в себя область с противоположным каналу типом проводимости. Электрод, соединенный с этой областью, называют затвором.

Полевые транзисторы на основе металлооксидной пленки

Управление током, протекающим через полевой транзистор на основе металлооксидной пленки (МОП - транзистор), осуществляется с помощью электрического поля, прикладываемого к затвору. Обычно подложка контактирует с наиболее отрицательно смещенным выводом транзистора, подключенным к истоку. В трехвыводных транзисторах подложка внутренне соединена с истоком. N-канальный транзистор имеет следующее обозначение: стрелка направлена внутрь значка; р - канальный транзистор имеет исходящую из значка стрелку. N-канальный и р - канальный МОП -транзисторы имеют различную полярность управляющих напряжений.

МОП - транзистор со встроенным каналом

Подобно полевым транзисторам с управляющим р - n переходом, МОП -транзистор со встроенным каналом состоит из протяженной области полупроводника, называемой каналом. Для р - канального транзистора эта область является полупроводником р - типа, для n-канального транзистора - n-типа. Свободные электроны от истока до стока должны пройти через этот узкий канал, заканчивающийся с обеих сторон электродами, называемыми истоком и стоком. Металлический затвор МОП - транзистора изолирован от канала тонким слоем двуокиси кремния так, что ток затвора во время работы пренебрежимо мал. Чем более отрицательное напряжение затвор-исток приложено к n-канальному транзистору, тем больше канал обедняется электронами проводимости, ток стока при этом уменьшается. При значении напряжения затвор-исток канал полностью обеднен, и ток от истока к стоку прекращается. Это напряжение называется напряжением отсечки. С другой стороны, чем более положительно напряжение затвор-исток, тем больше размер канала, что приводит к увеличению тока.

МОП - транзисторы с индуцированным каналом

Эти МОП - транзисторы не имеют физического канала между истоком и стоком, как МОП - транзисторы со встроенным каналом. Вместо этого область проводимости может расширяться на весь слой двуокиси кремния. МОП - транзистор с индуцированным каналом работает только при положительном напряжении исток-затвор. Положительное напряжение исток-затвор, превышающее минимальное пороговое значение , создает инверсионный слой в области проводимости, смежной со слоем двуокиси кремния. Проводимость этого индуцированного канала увеличивается при увеличении положительного напряжения затвор-исток. МОП - транзисторы с индуцированным каналом используются преимущественно в цифровых схемах и схемах с высокой степенью интеграции (БИС).

Пороговым напряжением МОП транзистора с обогащением считается напряжение на затворе полевого транзистора, когда на поверхности полупроводника образуется инверсный слой проводимости, создающий проводящий канал от истокового электрода к стоковому.

Расчет порогового напряжения

В связи с тем, что управляющий и нагрузочный транзисторы создаются в едином технологическом процессе, а пороговое напряжение определяется уровнем легирования подложки и характеристиками подзатворного элемента, величина порогового напряжения оказывается одинаковой как для управляющего, так и для нагрузочного транзистора.

Найдем емкость подзатворного диэлектрика:

Найдем объемный потенциал Ферми по формуле:

Напряжение прокола:

Расчет выходных характеристик.

а) таблица токов насыщения при различных значениях напряжения на затворе управляющего транзистора:

Ток насыщения:

Введем величину:

Значения UG: 1,89 В; 2,52 В; 3,16 В; 3,79 В

UG, В1,892,523,163,791,25Iнас, мА0,281,112,514,460,00

б) Вольт-амперная характеристика управляющего транзистора в крутой линейной части:

Ток стока

где UDS=Uвых - напряжение исток-сток

Введем величину:

При , При

UDS, В0,100,150,200,25ID, мА0,090,130,180,22

При

UDS, В0,150,300,450,60ID, мА0,270,530,801,06

При

UDS, В0,250,450,700,90ID, мА0,661,191,862,39

При

UDS, В0,300,600,901,25ID, мА1,062,123,184,42

Для области насыщения:

Транзисторы в качестве нагрузочного элемента.

Ток стока:

где - напряжение на нагрузочном транзисторе, затвор соединен со стоком.

Введем величину:

Находим для нескольких значений , а через -

Пусть

Подставим значения в формулу, выразим

ID, мА0,10,20,30,4Uвых, В2,471,700,930,16

Передаточная характеристика инвертора.

Для построения передаточной характеристики графически решается зависимость

,

Uвх, ВUвых, В

Время переключения инвертора

Критерий сильного поля

где - скорость звука

Напряженность в канале:

,

Условия сильного поля в канале выполняются.

Вычисление скорости насыщения:

транзистор металлооксидный пленка инвертор

где - максимальная энергия оптического фотона

колебаний решетки Si.

- эффективная масса носителя

- масса электрона

где - продольная эффективная масса электрона

- поперечная эффективная масса электрона

Т.к.

Время пролета канала

Это время внутренней реакции необходимо сравнивать с временами заряда-разряда емкостей.

Время заряда емкости (нагрузки) при запертом управляющем транзисторе:

Крутизна нагрузочного транзистора в области насыщения:

Время разряда нагрузочной емкости через открывающийся управляющий транзистор:

Максимальное время задержки - время заряда -

Список используемой литературы

1.Аналоговая и цифровая электроника. Опадчий Ю.Ф.

2.Полупроводниковые приборы. Пасынков В.В.

.Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники. Старосельский В.И.

Приложение 1

Рис. 1

Приложение 2

Рис. 2

Содержание Задание Введение Расчет порогового напряжения Расчет выходных характеристик Транзисторы в качестве нагрузочного элемента Переда

Больше работ по теме: