Учебное пособие 800594
.pdfли значительными преимуществами по сравнению с характеристиками имеющегося биполярного мощного транзистора.
Рассмотрим несколько вариантов реализации ДМОПтранзистора с различной топологией. Характеристики транзистора определяются геометрическими размерами, что непосредственно определяет электрические параметры. Определим наиболее оптимальный вариант с точки зрения технологии.
Для решения поставленной задачи были смоделированы три полосковые топологии, в программном обеспечении L-edit, с шириной затвора 4, 6 и 8 мкм, длиной 1000 мкм, а так же были смоделированы ячейки. Количество ячеек зависит от размера кристалла. При ширине затвора, равной 4 мкм, количество ячеек составляет 114 штук, при 6 мкм – 93 штуки, при 8 мкм – 78 штук. В нашем случае площадь кристалла равна 1 мм2
Выполнение ДМОП-транзистора осуществлялось по технологии двойной диффузии с использованием программы приборнотехнологического моделирования TCAD. Суть приборно-техноло- гического моделирования состоит в обеспечении постоянной взаимосвязи между технологическими параметрами и характеристиками прибора. Циклический расчет технологии производства и физических процессов переноса электронов и дырок в устройстве дает возможность реализовать оптимизацию технологического маршрута и конструкции моделируемой структуры.
Как правило, мощные ДМОП-транзисторы имеют вертикальную структуру, в которой исток и затвор расположены на верхней стороне кристалла, а сток – на нижней.
Типовая структура ДМОП транзистора с указанием материалов и областей показана на рис. 1, а также продемонстрировано
Рис. 1. Разрез структуры ДМОП транзистора
110
распределение концентрации примеси по структуре. В технологическом САПР были созданы и измерены параметры и характеристики ДМОП-структуры с размерами 4, 6 и 8 мкм. Полученные результаты двумерного моделирования представлены в табл. 1
Таблица 1 Результаты двумерного моделирования ДМОП транзистора
Ширина |
Количество |
Uпроб, |
Напряженность |
Uпор(не |
Uпор(нас), В |
Rси, |
затвора, |
фрагментов |
В |
поля лавинного |
нас), В |
при |
мОм |
мкм |
полосковой |
|
пробоя, В/см |
при Uси = |
Uси = |
при Uз = |
|
структуры |
|
|
0,01, В |
25, В |
10, В |
|
на S = 1, шт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
114 |
164,8 |
2,84×105 |
3,11 |
3,48 |
0,549 |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
93 |
157,9 |
3,57×105 |
3,11 |
3,48 |
0,406 |
8 |
78 |
134,8 |
4,7×105 |
3,11 |
3,48 |
0,388 |
Изменение пробивного напряжения нелинейно зависит от размеров затвора, что продемонстрировано на рис. 2, поэтому оптимальным можно считать Uпроб = 157,9 В при 6 мкм. При 4 мкм пробивное напряжение равно 164,8 В это на 6,9 В лучше, чем при 6 мкм, но при этом значительно теряется плотность ячеек на 1 мм2.
При ширине затвора 8 мкм Uпроб = 134,8 В, что на 23,1 В меньше, чем при 6 мкм, это увеличивает стоимость готового кристалла,
поскольку уменьшает их количество на единицу площади кристалла.
Рис. 2. Пробивные напряжения
На рис. 3 наглядно показано, как ухудшается равномерность градиента поля в области между карманами. Это связанно с умень-
111
шением пробивного напряжения, а также с увеличением напряженности поля в области подзатворного диэлектрика.
а |
б |
в
Рис. 3. Напряженность поля ДМОП транзистора: а – 4 мкм; б – 6 мкм; в – 8 мкм
На рис. 4 показана типовая зависимость тока стока (Iс) от напряжения между затвором и истоком (Uзи) при различных значениях напряжения сток-исток (Uси). График выходных характеристик можно разделить на две области: на линейную область, в которой значения Uси не слишком велики, и Iс растет линейно с ростом напряжения на стоке; и на область насыщения, в которой рост напряжения на Uси никак не проявляет воздействия на Iс (прибор работает как источник постоянного тока).
Рис. 4. Выходные характеристики ДМОП транзистора
112
Основное влияние на величину Uпор ДМОП-структуры оказывают: концентрации примеси в подложке и в области канала, и заряд поверхностных состояний в подзатворном диэлектрике
(рис. 5).
При измерении значений ненасыщенного порогового напряжения (Uпор) между затвором и сток (Uси) равно 1 В, а для насыщенного Uси = 25 В.
Рис. 5. Пороговые напряжения ДМОП транзистора
При минимальном значении сопротивления сток-исток в открытом состоянии (Rси) прибор способен коммутировать ток большой мощности благодаря малому падению напряжения между стоком и истоком. С увеличением ширины затвора Rси транзистора растет, так как увеличивается площадь ячейки (рис. 6). Таким образом, от 4 до 8 мкм Rси выросло на 0,161 мОм.
Рис. 6. Зависимость Iи от Uси для ДМОП транзистора в открытом состоянии
Результаты моделирования свидетельствуют о необходимости выполнения ДМОП-транзистора с шириной затвора 6 мкм, т.к.:
113
–габариты транзистора требует минимизации, уменьшение размера одного транзистора увеличивает их количество на единицу площади кристалла;
–уменьшение ширины затвора приводит к увеличению выходного сопротивления в открытом состоянии;
–Rси возрастает вместе с увеличением напряжения пробоя. Дальнейшее увеличение или уменьшение ширины затвора
должно производиться с целью увеличения выходного сопротивления и пробивного напряжения.
Трех ерное оде ир ование Для оптимизации размещения ячеек на кристалле рассмотрим три варианта возможной конструкции.
После выбора оптимальной ширины затвора, равной 6 мкм, были смоделированы три топологии: линейная, квадратная и октагональная (рис. 7 - 9). Было расчитано количество транзисторов на 1 мм2. 4278 штук – для линейной топологии, 8556 штук – для квадратной топологии и 7052 штук – для октагональной топологии.
Рис. 7. Линейная топология |
Рис. 8. Квадратная |
|
топология |
Рис. 9. Октагональная топология Квадратная топология
В технологическом САПР были созданы ДМОПтранзисторы. Типовая структура устройства с указанием материалов
114
и областей показана на рис. 10, а, 11, а и 12, а, а на рис. 10, б, 11, б и 12, б продемонстрировано распределение концентрации примеси по структуре.
а |
б |
Рис. 10. 3D структура с полосковой ячейкой
а |
б |
Рис. 11. 3D структура с квадратной ячейкой
а |
б |
Рис. 12. 3D структура с октагональной ячейкой
115
а
б
в
Рис. 13. Вид сверху и срез структуры: а – cрез полосковой структуры; б – cрез квадратной структуры;
в – cрез октагональной структуры
Полученные результаты трехмерного моделирования представлены в табл. 2.
Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что наилучшее пробивное напряжение Uпроб = 147,5 В при полоско-
вой ячейки. При квадратной ячейке Uпроб = 144,5 В, что на 2,8 В хуже, чем при полосковой ячейке. При этом почти в два раза
116
увеличивается плотность ячеек на 1 мм2, что уменьшает стоимость готового кристалла, поскольку увеличивает их количество на единицу площади кристалла. При октагональной ячейке Uпроб = 143,9 В, что незначительно отличается от квадратной ячейки всего на 0,6 В. В этом случае сильно падает Rси в отличии от конструкции полосковой и квадратной ячеек. По этой причине оптимальным вариантном остается октагональная ячейка.
Таблица 2 Результаты трехмерного моделирования ДМОП-транзистора
Тип топологии |
Количество |
Uпроб, В |
Uпор(не нас.), В |
Rси, Ом при |
|
фрагментов |
|
при Uси = 1В |
Uз = 10 В |
|
полосковой |
|
|
|
|
структуры на S = |
|
|
|
|
1мм2, шт |
|
|
|
Полосковая |
4278 |
147,3 |
3,25 |
3092 |
ячейка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Квадратная |
8556 |
144,5 |
2 |
1840 |
ячейка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Октагональная |
7052 |
143,9 |
1,88 |
1567 |
ячейка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Литература
1.Baliga B.J. Fundamentals of power semiconductor devices [Текст] / B.J. Baliga. – New York: Springer-Science, 2008. – 2055 р.
2.Victory Process User’s Manual, DEVICE SIMULATION SOFTWARE / Silvaco, Inc 4701 Patrick Henry Drive, Bidg.27.01.2016, Santa Clara, CA 95054, – 1070 р.
3.Lotfi M. Macromodeling of power VDMOSFET transistor incorporating self-heating effect [Текст] / M. Lotfi, D. Zohir // Microelectronics and Solid State Electronics. – 2012. – Р. 567.
Воронежский государственный технический университет
117
УДК 621.382
Д.Н. Бугаев
РАЗРАБОТКА АДАПТЕРА ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ДЛЯ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ СОСТАВА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА ПРИ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКЕ ЗАБОЛЕВАНИЙ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Проблема создания адаптера стала актуальной после закупки зарубежных детекторов, так как фильтры, входящие в анализатор, одноразовые, а их замена дорогостоящая. Также наличие готового адаптера упростит создание отечественных детекторов состава выдыхаемого воздуха.
Существует технология определения заболеваний дыхательной системы по концентрации примесных газов в выдыхаемом воздухе и на базе этой технологии зарубежными фирмами были разработаны медицинские приборы для детектирования отдельных примесных газов, одновременно ведутся разработки отечественных тестеров примесных газов [1].
Одним из важных элементов детектора NOx является адаптер, предназначенный для оценки выдыхаемого пациентом воздуха и регулирование скорости воздушного потока.
Целью работы является разработка и изготовление адаптера воздушного потока для приборов контроля состава выдыхаемого воздуха при экспресс-диагностике бронхиальной астмы с возможностью многоразового использования.
В ходе создания адаптера была составлена предположительная конструкция прибора и проведены исследования адсорбирующих материалов.
Адаптер (рис. 1) – это система, состоящая из четырех частей: адаптера для крепления к прибору, прибора для измерения потока воздуха, осушающего фильтра с силикагелем в качестве наполнителя и одноразового антибактериального фильтра с проспиртованной тканью.
118
Рис. 1. Схема адаптера воздушного потока: а – индикатор воздушного потока; б – адаптер; в – осушающий фильтр
Сам адаптер (рис. 1,а) – это пластиковая трубка с двумя разъёмами для крепления к измерительному прибору и подключения осушающего фильтра, также адаптер имеет индикатор воздушного потока (рис. 1,б), состоящий из контрольной шкалы и шарика для индикации скорости воздуха.
Осушающий фильтр (рис. 1,в) представляет собой разборную пластиковую трубку внутри которой помещается адсорбирующий материал.
Для выбора адсорбирующего материала был проведен эксперимент по определению осушающих качеств и термостойкости различных адсорбентов. Измерения проводились в начальной точке фильтра (рис. 2). В качестве адсорбирующих материалов выбор пал на активированный уголь и силикагель.
Рис. 2. Точка измерения влажности
119