CC BY
41
Рис. 3. Вид волновых функций 4*j(y)
ЛИТЕРАТУРА
1. Пожала Ю. К, Физика быстродействующих транзисторов: Монография. Вильнюс: Моноклас, 1989. 264 с.
2. Самарский А. А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. 656 с.
3. Loret D. Two - dimensional numerical model for the High Electron Mobility Transistor. Solid- State Electronics. 1987. Vol. 30. № 11. P. 1197 - 120.3.
УДК 621.3.049.77
Р.Ю. Бабков
АНАЛИЗ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КМОП ИНВЕРТОРА НА
КАРБИДЕ КРЕМНИЯ
Таганрогский государственный радиотехнический университет,
347928, г. Таганрог, ГСП-17А, пер.Некрасовский, 44, тел.: (86344) 61767, e-mail: fep(wtsure.ru
В работе рассматриваются особенности проектирования, анализируются передаточные характеристики КМОП инвертора на карбиде кремния (6H-SiC) и проводится их сравнение с кремниевым аналогом.
Для расчетов использовалась методика, приведенная в [1]. Разработанные на основе данной методики алгоритм и программа позволяют проводить расчет геометрических параметров инвертора и допустимых отклонений напряжения относительно его номинальных значений.
Для проведения расчетов использовалось выражение для тока стока [2]:
где С3 ~ Бо£дЛд ~ удельная емкость диэлектрика; — относительная диэлектриче-
ская проницаемость диэлектрика; - толшина диэлектрика; ц - подвижность; 'Л\ Ь — ширина и длина канала МОП-транзистора; из, ис, ип — напряжения на затворе, стоке и подложке соответственно; фмдп ~ потенциал, соответствующий разности работ выхода из диэлектрика и полупроводника; - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; q - заряд электрона; 0лд„ - эффективный заряд поверхностных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик; ~ 2<рР - потенциал на поверхности слоя объемного заряда, при котором концентрация подвижных дырок в канале преобладает над концентрацией электронов и ионизированных атомов донорной примеси.
На рис. 1 представлены расчетные статические характеристики инвертора на кремнии и карбиде кремния.
Риг I. Передаточная характеристика инвертора
Расчет передаточной характеристики выполнялся для напряжения питания 9,8 В и температуры +27°С. Длина каналов п- и р-канальных транзисторов Ьп р = 1 мкм, ширина каналов для п-канальных транзисторов 4 мкм, для р-канальных 12 мкм, концентрация примеси в п-подложке ^ = 5-10ь см"3, концентрация примеси в р-кармане Ка = 3 -1016 см 3. Такие концентрации примерно соответствуют концентрациям в реальных МСП-транзисторах на основе 5(С [3-5]. При этом пороговые напряжения для п-канальных транзисторов на кремнии и на карбиде кремния составили 0,83В и 2,93В, а для р-канальных 1,23В и 3,54В соответственно.
Вид передаточной характеристики инвертора определяется отношением ширины каналов транзисторов \VpZW,, и отношением подвижностей цп/(д.р носителей заряда.
Динамические характеристики инвертора, в частности время установившейся задержки распространения сигнала в последовательной иепочке инверторов, определяются следующим выражением [1]:
= а С -Е„
1 + п
Р„-(Е,-иа„)г ' •(£„ -и„р)
(2)
где а ~ 0,9 - постоянный коэффициент; С = Сум + Снагр; СуМ - узловая емкость на выходе инвертора; Скаф - внешняя нагрузочная емкость [1].
При Снагр » Су,л полагаем С * Снагр. В расчетах величина нагрузочной емкости - 0,8 пФ. При этом время установившейся задержки распространения сигнала для инверторов на кремнии и карбиде кремния составило 1.03 не и 3,15 не соответственно.
Ширина каналов транзисторов р- и п-типа проводимости определяется исходя из требований, предъявляемых к инвертору по помехоустойчивости и быстродействию при заданной величине нагрузочной способности. В ряде случаев дополнительно накладывается требование по потребляемой мощности в динамическом режиме [1].
Исходя из условия симметрии передаточной характеристики и, следовательно, равенства помех в состояниях логической 1 и 0 (без учета разброса параметров и0р, и0п, (Зр, рп, ЕД относительно АУр имеем [1]:
^ =£рКЛ] + /7р)-а-С-Еп
УУр
1
__________Мі)2
(е, -ио У {Е„-и0„У
(3)
где
^ор ~ ^оп ; (^дХал - задаваемое время задержки на один инвертор.
На рис.2 отображены графики значений ширины канала р-канального МОП-транзистора, обеспечивающего задаваемое значение времени задержки. Значение ширины канала п-канального МОП-транзистора находятся из соотношения:
IV,
(4)
М,)
2
Ми
Графики значений ширины канала п-канального МОП-транзистора приведены на рис.З.
Рис. 2
Рис.З
Основное влияние на передаточные характеристики инвертора как на кремнии, так и на карбиде кремния оказывают пороговое напряжение, удельная кру-
тизна и напряжение источника питания. Меньшие рабочие токи транзисторов на карбиде кремния объясняются меньшей подвижностью основных носителей в канале. При заданном времени задержки для инверторов на Si и SiC ширина канала р-канального транзистора на SiC в ~4 раза больше, чем у кремниевого, ширина канала n-канального транзистора на SiC в ~2 раза больше.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гусаков В.М., Шарапов Б.Н. Проектирование интегральных схем на МДП-транзисторах с дополнительными типами проводимости и их основные эксплуатационные характеристики//Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 1972. Вып. 6.С.56.
2. Валиев К.А., Кармазинский А.Н., Королев М.А. Цифровые интегральные схемы на МДП-транзисторах.М.:Советское радио, 1971. С. 384.
3. Properties and Specifications for 50.8 mm (2 inches) SiC Wafer, http ://www. cree.com
4. Carrier mobilities and concentrations in SiC. G.L. Harris, H.S. Henry, A. Jackson/ Materials Science Research Center of Excellence. Howard University, Washington, DC, USA. 1995.
5. Planar depletion-mode 6H-SiC MOSFETs. V.Krishnamuthry, D.M. Brown, M. Ghezzo, J. Kretchmer, W. Hennessy, E. Downey, G. Michon/ Paper presented at the 5th SiC and Related Materials Conf., Washington, DC, 1993.
