Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по математическому моделированию технологических процессов и ИМС. Арсентьев А.В., Плотникова Е.Ю

ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный

технический университет”

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

298-2013

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ № 1 - 4

по дисциплине «Математическое моделирование технологических процессов и ИМС»

для студентов направления

210100.62 «Электроника и наноэлектроника»,

профиля «Микроэлектроника

и твердотельная электроника»

очной формы обучения

Воронеж 2013

Составители: канд. техн. наук А.В. Арсентьев,

ассистент Е.Ю. Плотникова

УДК 621.382

Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1 - 4 по дисциплине «Математическое моделирование технологических процессов и ИМС» для студентов направления 210100.62 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Микроэлектроника и твердотельная электроника» очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А.В. Арсентьев, Е.Ю. Плотникова. Воронеж, 2013. 24 с.

В методических указаниях описывается технология моделирования характеристик тонкопленочных металлооксидных транзисторов, приводятся теоретические основы работы тонкопленочных транзисторов и основные модели, учитывающие поведение идеального и реального приборов. Приведены вопросы для самопроверки и библиографический список.

Методические указания подготовлены на магнитном носителе в текстовом редакторе Microsoft Word 2010 и содержится в файле МУ Моделирование.rtf

Табл. 1. Ил. 6. Библиогр.: 2 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. А.В. Строгонов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2013

Лабораторная работа № 1

Идеальная модель тонкопленочного полевого транзистора по закону квадратов

Цель работы: изучение принципа работы тонкопленочных транзисторов и моделирование выходных характеристик идеального прибора.

Тонкопленочные транзисторы (thin film transistors, TFT) хорошо известны в микроэлектронике в связи с простотой технологии и дешевизной производства.

Тонкопленочный полевой транзистор, изготовленный на основе прозрачных в видимом диапазоне излучения металлооксидов, состоит из основных компонентов:

- подложка (прозрачное стекло или гибкий прозрачный пластик),

- затвор (из оксидов металлов, работающих как полупроводниковый материал в классическом полевом транзисторе, наносится на поверхность подложки методом ионно-лучевого напыления или другим из керамических мишеней по заданной геометрической форме),

- подзатворный диэлектрик (металлооксид напыляется с полным перекрытием на затвор),

- канал (полупроводниковый материал наносится на диэлектрик),

- исток и сток (по составу аналогичны или приближены к материалу затвора).

Основные структуры тонкопленочных полевых транзисторов представлены на рисунке 1. Конструкция прибора может быть реализована в ступенчатой конфигурации или в слоевой. В плоской конфигурации, как показано на рисунках 1 (б) и 1 (г), контакты к стоку/истоку и подзатворный диэлектрик расположены с одной стороны от канала. В таком расположении контакты к стоку/истоку соединены напрямую с индуцированным каналом, так что ток течет в одной плоскости. В ступенчатой конфигурации, как показано на рисунках 1 (а) 1 (в), контакты к стоку/истоку расположены на противоположной стороне канала относительно диэлектрика. Таким образом, прямое соединение в индуцированном канале отсутствует. В этом случае ток протекает сначала в вертикальном направлении через индуцированный канал, а затем горизонтально к затвору. Однако контактная область становится очень большой, если используется ступенчатая структура, в результате сопротивление контактов становится минимальным.

Второй вариант классификации тонкопленочных транзисторов (к плоской и послойной конфигурации) - систематизирование по расположению канала (сверху или снизу относительно затвора). В транзисторе с обратным затвором, который иногда называют инверсным тонкопленочным транзистором, подзатворный диэлектрик и электрод затвора помещены внизу под каналом, как показано на рисунках 1 (а) и 1 (б). Верхняя часть прибора с обратным затвором открыта для доступа воздуха или покрыта защитной плёнкой. В транзисторе с верхним расположением затвора, как показано на рисунках 1 (в) и 1 (г), затвор и подзатворный диэлектрик расположены на канале. В приборе с верхним затвором канал накрыт подзатворным диэлектриком таким образом, что поверхность является пассированной.

а) б) в) г)

Рис. 1 Основные конфигурации тонкопленочного полевого транзистора: а) ступенчатая с нижним затвором; б) плоская с нижним затвором; в) ступенчатая с верхним затвором; г) плоская с верхним затвором

В случае моделирования идеального TFT по методу квадратов результаты соответствуют расчетам, заявленным для идеального прибора.

Текущий в тонкопленочном полевом транзисторе ток зависит от двух прикладываемых напряжений на затворе и стоке . В случае идеального транзистора ток стока описывается формулами квадратичной модели. Для напряжений на стоке, меньших напряжения насыщения , идеальная квадратичная модель выглядит как

,

где I - ток стока,

- ширина канала,

- длина канала,

- подвижность носителей в канале,

- напряжение включения,

- емкость затвора на квадрат площади.

Когда прикладывается больше чем ( ), канал выключен и ток стока насыщается при

.

Практическая часть

В практической части приведены основные параметры, требуемые для построения идеальной модели тонкопленочного транзистора:

– ширина канала, м

– длина канала, м

– подвижность носителей в канале, м²/В*с

– толщина канала, м

= 1,6022*10^-19 - заряд электрона, эВ

– начальная плотность носителей в п/п, м^-3

– диэлектрическая проницаемость диэлектрика

= 8,8542*10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная

– толщина диэлектрика, м

– площадь диэлектрика, м²

Используя эти параметры и приведенные ниже расчетные формулы, необходимо построить зависимость тока стока от напряжения сток - исток при наборе значений напряжений на затворе .

– емкость подзатворного диэлектрика, Ф/□

– напряжение включения, В

(или задается вручную)

– напряжение на затворе, В

V_GS = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 В

– напряжение выхода на насыщение,

– выходное напряжение.

При построении зависимости необходимо учесть, в каком режиме работы находится транзистор:

- если , то

.

- если , то

.

Расчет проводится в программе MS Office Excel или Open Office по представленным выше моделям по вариантам из таблицы из приложения 1.

Итогом работы является таблица набора зависимостей I_d ( ) при разных величинах напряжений и семейство выходных характеристик, аналогичных представленным на рисунке 2.

Рис. 2 Пример семейства выходных характеристик тонкопленочного металлооксидного транзистора.

Вопросы для отчета

1. Что такое тонкопленочный полевой транзистор?

2. Какие виды металлооксидных транзисторов Вы знаете?

3 В чем разница между транзистором с верхним и нижним расположением затвора?

4 Как протекает ток в тонкопленочном полевом транзисторе?

Лабораторная работа № 2

Модель тонкопленочного полевого транзистора по закону квадратов с учетом поверхностного и объемного сопротивления канала

Цель работы: моделирование выходных характеристик реального тонкопленочного транзистора с учетом наличия на поверхности и в объеме канала дополнительного сопротивления.

Для того чтобы безошибочно смоделировать вольт-амперные характеристики широкозонных ТFТ, необходимо определить параметры, влияющие на появление в приборе дополнительных наводок.

Необходимость учета последовательного сопротивления на истоке и стоке (или наличия сопротивления на поверхности и в объеме полупроводникового канала) может давать уменьшение тока стока и сопутствующее видимое ухудшение подвижности в канале. На практике, мы обычно определяем, что это последовательное сопротивление незначительно влияет на работу широкозонных ТFТ.

Если есть большая объемная концентрация носителей заряда в канале ТFТ, индуцированная плотность зарядов не изменяется линейно в соответствии с приложенным к затвору напряжением, как предполагается в идеальной квадратичной модели.

Ловушки также играют важную роль при определении работы ТFТ. Захват зарядов, инжектированных в канал, отвечает за большинство подпороговых и надпороговых трендов. Кроме того, захват носителей заряда ловушками ухудшает подвижность в канале. Большое значение в учете неидеальностей вольт-амперных характеристик TFT представляет изменение подвижности в канале. Использование в расчетах средней и дифференциальной подвижности вместо эффективной и полевой подвижности дает меньшую неопределенность при анализе кривых подвижности в канале.

Как было упомянуто выше, последовательное сопротивление и ловушки ухудшают наблюдаемую или реальную подвижность в канале.

Кроме того, нечетко сформированный слой канала дает краевые утечки тока вокруг границ канала (рис.3). Это делает возможным увеличение подвижности в канале. И, наконец, степень шероховатости поверхности влияет на подвижность носителей в режиме больших смещений на затворе.

Рис. 3 Отсутствие (а) и наличие (б) краевых утечек тока вокруг границ канала.

Для моделирования поведения вольт-амперных характеристик реального прибора требуется использование более развернутых моделей, чем представлена в 1 лабораторной работе. Эти модели должны учитывать эффекты, происходящие в канале и областях истока и стока.