Пороговое напряжение на затворе полевого транзистора: Параметры MOSFET транзисторов.

Максимальная пороговое напряжение затвора? — Хабр Q&A

treshhold voltage – напряжение, при котором транзистор только начинает открываться, а значит для ключевого режима это лишь самая малость (в качестве примера IRLZ44N)

Диапазон напряжений на который рассчитан затвор транзистора обзывают gate-to-source voltage, вот его превышать нельзя

И лучше приближаться к значению gate-to-source voltage, т.к. транзистор будет больше открыт, следовательно сопротивление его канала меньше, т.е. меньше потери на нагрев транзистора.
Обычно приводят графики тока от напряжения на затворе при фиксированном напряжении, по ним видно, что при напряжениях близких к treshhold ток через транзистор не очень большой, т.к. он еще не полностью открыт.

Ответ написан более трёх лет назад

Комментировать

пороговым называется напряжение открытия, минимально допустимое при котором полевик открывается на заявленный ток. обычно как раз 2-4 или менее 1 для “logic drive”
максимальное допустимое лежит в пределах ~10в для мелких до ~30в для мощных силовых.

Ответ написан более трёх лет назад

Комментировать

Максимальная пороговое напряжение затвора?

В формулировке заголовка не хватает вопросительного слова. Если бы было Каково максимальное пороговое напряжение затвора?, то я бы ответил, что пороговое напряжение – это технический параметр, оно не бывает максимальным, и в реальных схемах на затворе может быть напряжение как больше порогового, так и меньше.

Если же никакого вопросительного слова не подразумевается, то вас можно понять так: У какого транзистора максимальное пороговое напряжение затвора? Трудно сказать, поскольку типов полевиков множество и у подавляющего большинства обычных оно лежит в пределах 2. ..4 вольта, как тут уже отметили. По принципу, Uпор – это просто напряжение, при котором канал полевика наиболее резко меняет своё сопротивление (т.е. переходная характеристика имеет наиболее резкий излом). Его легко измерить – надо соединить затвор и сток, и подать на эту точку относительно истока +9…12 вольт через резистор 0,5…3 килоом. При этом на транзисторе установится напряжение, равное пороговому. Этот простой способ позволяет отбирать полевики с желаемым Uпор.

Полевой транзистор не сгорит?

Смотря что вы имеете ввиду. Если пробой затворной изоляции, то от 5 вольт не сгорит, для этого на затвор надо подать > 20…25 вольт. Если тепловое выгорание канала, то это вопрос не к напряжению на затворе, а к подаваемому на канал напряжению и проходящему через него току. И при 5 вольтах на затворе это вполне может случиться.

Ответ написан 2017, в 21:04″> более трёх лет назад

Пороговое напряжение на затворе что это

Для таких режимов оптимально подходят — полевые транзисторы. Это значит, что они управляются полем, которое образует напряжение, приложенное к управляющему электроду. Другое их название — униполярный транзистор. Так подчеркивается, что используются только одного типа носители заряда электроны или дырки , в отличии от классического биполярного транзистора. Транзистор имеет три вывода: исток , сток , затвор. В традиционной схеме включения, цепь истока n-канального транзистора подключается к минусу питания, p-канального — к плюсу питания.

Поиск данных по Вашему запросу:

Пороговое напряжение на затворе что это

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Полевой транзистор
• Как выбрать mosfet.
• Как работает МОП-транзистор
• Характеристики напряжения и тока затвора
• Параметры MOSFET транзисторов
• Таблица сравнения полевых транзисторов

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Урок №23. Полевой (MOSFET) транзистор.

Полевой транзистор

Интерес к статическим параметрам полевого транзистора с p-n -переходом на затворе, таким как начальный ток стока и напряжение отсечки, проявляется чаще всего инженерами и радиолюбителями либо как к приводимым в справочниках характеристикам для сравнения транзисторов различных типов, либо в связи с подбором близких по параметрам транзисторов для дифференциального каскада.

В настоящей статье речь пойдёт об использовании статических параметров при расчёте схем на полевых транзисторах. На рис. Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n -переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки. Начальный ток стока полевого транзистора определяется как ток, протекающий через его канал при заданном постоянном напряжении сток-исток и равном нулю напряжении затвор-исток.

В англоязычной технической документации этот параметр обозначают как I DSS. Напряжение отсечки — это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически равен нулю.

Его также измеряют при фиксированном значении напряжения сток-исток и в англоязычной документации обозначают как V GS off или реже как V p. В качестве усилительного элемента полевой транзистор работает при достаточно большом напряжении сток-исток V DS — на графике семейства выходных характеристик транзистора это значение напряжения расположено в области насыщения.

Это значит, что величина тока через канал полевого транзистора, — ток стока I D , — зависит в основном лишь от величины напряжения затвор-исток V GS. Эту зависимость тока стока полевого транзистора I D от входного напряжения затвор-исток V GS описывает так называемая передаточная характеристика транзистора. Для транзисторов с управляющим p-n -переходом её обычно аппроксимируют следующим выражением:.

Таким образом ток стока полевого транзистора с изменением напряжения на его затворе изменяется по квадратичному закону. Графически эту зависимость иллюстрирует приведенная на рис.

В таком изменении тока стока I D с изменением напряжения затвор-исток V GS и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Количественно эти свойства характеризует такой его параметр как крутизна, определяемая как:. Понятно, что значение крутизны, выраженное через статические параметры полевого транзистора I DSS и V GS off , можно получить дифференцируя выражение для передаточной характеристики 1 по dV GS :.

То есть для транзистора с известными значениями начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS off при заданном напряжении затвор-исток V GS крутизну передаточной характеристики можно рассчитать по формуле:.

Во всех этих схемах для установки требуемого значения тока стока I D служит включенный в цепь истока резистор R S. Потенциал затвора полевого транзистора равен потенциалу нижнего по схеме вывода этого резистора, поэтому ток стока I D , напряжение затвор-исток V GS и сопротивление R S элементарно связаны между собой законом Ома:. Расчет сопротивления R S для установки требуемого тока стока I D для полевого транзистора с известными значеними начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS off также можно произвести на основании выражения для передаточной характеристики 1 :.

Разделим обе части равенства 6 на R S и, с учётом выражения 5 , получим:. Исходя из приведенных математических выкладок логично предположить, что, измерив значения начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS off — основных статических параметров полевого транзистора с управляющим p-n -переходом на затворе, — можно определить крутизну передаточной характеристики транзистора в заданной рабочей точке или установить рабочую точку транзистора так, чтобы получить требуемое значение крутизны, рассчитать параметры других элементов схемы, и пр.

Но практические результаты чаще всего оказываются далеки от расчетных. Такое несоответствие теории и практики отмечается и в ряде авторитетных публикаций на тему работы полевого транзистора. Поскольку речь идёт о наиболее точном определении передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n -переходом на затворе, то величина напряжения отсечки V GS off конкретного транзистора важна лишь как параметр в выражении 1 , при котором это выражение наиболее соответствует реальной передаточной характеристике этого транзистора.

То же самое можно сказать и о величине начального тока стока I DSS. Таким образом может оказаться, что прямое измерение статических параметров полевого транзистора особого практического смысла не имеет, поскольку эти параметры не описывают с достаточной точностью передаточную характеристику транзистора.

На практике при проектировании схем усилительных каскадов на полевых транзисторах с управляющим p-n -переходом на затворе режим их работы никогда не выбирают таким, чтобы напряжение затвор-исток V GS было близким к напряжению отсечки V GS off или к нулю. Для этого решим следующую задачу. Решив систему уравнений 9 относительно значений начального тока стока и напряжения отсечки мы получим более соответствующие реальной передаточной характеристике параметры формулы 1.

Сначала определим значение. Для этого разделим второе уравнение на первое чтобы сократилось и получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем:. Таким образом искомое значение напряжения отсечки для формулы 1 определяется выражением:.

А соответствующее значение начального тока стока вычисляется путём подстановки полученного по формуле 10 значения напряжения отсечки в следующее выражение, полученное из формулы 1 :.

Вычисленные по формулам 10 и 11 значения напряжения отсечки и начального тока стока после подстановки в формулу 1 должны дать более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора.

Чтобы это проверить были проведены контрольные измерения параметров двенадцати полевых транзисторов четырёх типов — по три транзистора каждого типа. Порядок измерений для каждого транзистора был следующим. Чтобы иметь возможность затем сравнить, какая же пара параметров полевого транзистора, — I DSS и V GS off или и , — после подстановки в формулу 1 даёт более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора, ток стока полевого транзистора устанавливался примерно равным половине измеренного значения его начального тока стока I DSS , то есть где-то посередине передаточной характеристики транзистора, с последующим измерением соответствующего этому току напряжения затвор-исток.

Полученные таким образом значения I D0 и V GS0 — это координаты произвольно выбранной рабочей точки полевого транзистора на его передаточной характеристике. Выделенные цветом значения погрешностей говорят сами за себя. Если же сравнивать графики передаточной характеристики, подобные приведенному на рис. Результаты будут ещё более точными, если в качестве точек V GS1 ; I D1 и V GS2 ; I D2 взять границы более узкого отрезка передаточной характеристики полевого транзистора, на котором он будет работать в реальной схеме.

Особо следует отметить, что данный метод определения статических параметров полевых транзисторов незаменим для транзисторов с большим начальным током стока, например для таких как J Сайт инженера Задорожного С. Схемотехнические решения. Статические параметры полевого транзистора: теория и практика Среда , 4, Июль sezador Статьи Комментарии к записи Статические параметры полевого транзистора: теория и практика отключены.

Определения На рис. Для транзисторов с управляющим p-n -переходом её обычно аппроксимируют следующим выражением: 1 Таким образом ток стока полевого транзистора с изменением напряжения на его затворе изменяется по квадратичному закону.

Количественно эти свойства характеризует такой его параметр как крутизна, определяемая как: 2 Понятно, что значение крутизны, выраженное через статические параметры полевого транзистора I DSS и V GS off , можно получить дифференцируя выражение для передаточной характеристики 1 по dV GS : То есть для транзистора с известными значениями начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS off при заданном напряжении затвор-исток V GS крутизну передаточной характеристики можно рассчитать по формуле: 3 или, учитиывая равенство: получаем еще одно выражение для крутизны при заданном токе стока I D : 4 Установка рабочей точки На рис.

Пусть путём измерения получены значения тока стока I D1 и I D2 соответственно для двух отстоящих друг от друга значений напряжения затвор-исток V GS1 и V GS2 : 9 Решив систему уравнений 9 относительно значений начального тока стока и напряжения отсечки мы получим более соответствующие реальной передаточной характеристике параметры формулы 1.

Для этого разделим второе уравнение на первое чтобы сократилось и получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем: Таким образом искомое значение напряжения отсечки для формулы 1 определяется выражением: 10 А соответствующее значение начального тока стока вычисляется путём подстановки полученного по формуле 10 значения напряжения отсечки в следующее выражение, полученное из формулы 1 : 11 Экспериментальные данные Вычисленные по формулам 10 и 11 значения напряжения отсечки и начального тока стока после подстановки в формулу 1 должны дать более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора.

Результаты измерений параметров двенадцати полевых транзисторов приведены в таблице ниже. Киев Литература: Бочаров Л. Измеренные значения статических параметров. Значения статических параметров по формулам 10 и I DSS , мА.

Как выбрать mosfet.

Интерес к статическим параметрам полевого транзистора с p-n -переходом на затворе, таким как начальный ток стока и напряжение отсечки, проявляется чаще всего инженерами и радиолюбителями либо как к приводимым в справочниках характеристикам для сравнения транзисторов различных типов, либо в связи с подбором близких по параметрам транзисторов для дифференциального каскада. В настоящей статье речь пойдёт об использовании статических параметров при расчёте схем на полевых транзисторах. На рис. Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n -переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки.

Это несколько сбивает с толку, так как отщипывать применительно к Если напряжение на затворе находится ниже порогового напряжения (левый.

Как работает МОП-транзистор

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах. Все писал с точки зрения человека, не являющегося радиоэлектронщиком. Соответственно, обозвал как нашел и как самому оказалось понятнее. Точно так называется? Поискал и своим непрофессиональным взглядом не могу понять почему он? У него всего 2А ток и сопротивление даже больше штатного на рампсе. Может ошибся, нужно найти схему в хламе своём, их тут стоит 3 разновидности в ПЭЗ.

Характеристики напряжения и тока затвора

Сейчас этот форум просматривают: Google [Bot]. Предыдущее посещение: менее минуты назад Текущее время: 08 окт , Помогите прочесть даташит. Крупнейший производитель печатных плат и прототипов.

Мощные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при весьма малой мощности управления, которую нужно прикладывать к затвору. Основная причина в том, что затвор изолирован, поэтому требуется мощность только на перезаряд емкости затвор-исток, и в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет тока.

Параметры MOSFET транзисторов

Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Электроника Электронные компоненты. Что будет если подать на затвор полевого транзистора напряжение немного большее максимального порогового напряжения затвора? Например пороговое напряжение затвора от 2 до 4 В, а подать 5 В. Полевой транзистор не сгорит? Сергей Сергей hahenty.

Таблица сравнения полевых транзисторов

В этой статье мы рассмотрим работу МОП-транзистора. Здесь работает правило два по два 2х2. В каждом семействе по два вида:. Из всех этих 4 разновидностей, наверное не ошибусь, если скажу, что самый употребимый транзистор считается именно N-канальный с индуцированным каналом:. Именно с него мы и начнем наш путь в мир современной электроники. Давайте познакомимся с нашим героем.

пороговое напряжение на Затворе для включения транзистора. В даташите на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при.

Технологические возможности и успехи в разработке мощных полевых транзисторов привели к тому, что в настоящее время не составляет особого труда приобрести их за приемлемую цену. В связи с этим возрос интерес радиолюбителей к применению таких MOSFET транзисторов в своих электронных самоделках и проектах. Пришло время ближе познакомиться с устройством и параметрами мощных MOSFET транзисторов, чтобы в случае необходимости более осознанно подобрать аналог для конкретного экземпляра, а также иметь возможность понимать суть тех или иных величин, указанных в даташите.

Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком , область, в которую они входят из канала, называется стоком , электрод, на который подается управляющее напряжение, называется затвором. Впервые идея регулировки потока основных носителей электрическим полем в транзисторе с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в — годах. Однако трудности в реализации этой идеи на практике позволили создать первый работающий прибор только в году. В году Джеймс Маккаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем. К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.

Пороговое напряжение , сокращенно V – го , из полевого транзистора FET является минимальным затвор-исток V GS й , что необходимо для создания проводящего пути между выводами истока и стока.

Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Полевые транзисторы. For dummies Электроника для начинающих Введение А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах.

Портал о науке и технике Статьи Новости Видео Обзоры. Забыли пароль? Воспользуйтесь строкой поиска, чтобы найти нужный материал.

Полевой транзистор

Полевой транзистор

Функция полевых транзисторов аналогична биполярным транзисторам (особенно тому типу, который мы обсудим здесь), но есть несколько отличий. Они имеют 3 терминала, как показано ниже. Двумя общими типами полевых транзисторов являются МОП-транзисторы с каналом N и каналом P. Здесь мы будем обсуждать только канал N. На самом деле, в этом разделе мы будем обсуждать только наиболее часто используемый режим расширения N-канальный полевой МОП-транзистор (металлооксид-полупроводниковый полевой транзистор). Его условное обозначение приведено ниже. Стрелки показывают, как НОЖКИ реального транзистора соответствуют условному обозначению.

Current Control:
Терминал управления называется воротами. Помните, что через базовый вывод биполярного транзистора проходит небольшой ток. Затвор на полевом транзисторе практически не пропускает ток при управлении постоянным током. При управлении затвором высокочастотными импульсами постоянного или переменного тока может протекать небольшой ток. Напряжение «включения» транзистора (также известное как пороговое) варьируется от одного полевого транзистора к другому, но составляет примерно 3,3 вольта по отношению к источнику.

Когда полевые транзисторы используются в секции аудиовыхода усилителя, Vgs (напряжение от затвора к истоку) редко превышает 3,5 вольта. Когда полевые транзисторы используются в импульсных источниках питания, Vgs обычно намного выше (от 10 до 15 вольт). Когда напряжение затвора выше примерно 5 вольт, он становится более эффективным (что означает меньшее падение напряжения на полевом транзисторе и, следовательно, меньшее рассеивание мощности).

МОП-транзисторы широко используются, потому что ими легче управлять в сильноточных приложениях (например, в импульсных источниках питания, используемых в автомобильных аудиоусилителях). Если используется биполярный транзистор, часть тока коллектор/эмиттер должна протекать через базовый переход. В ситуациях с большим током, когда имеется значительный ток коллектора/эмиттера, ток базы может быть значительным. Полевые транзисторы могут управляться очень небольшим током (по сравнению с биполярными транзисторами). Единственный ток, который течет из цепи привода, это ток, который течет из-за емкости. Как вы уже знаете, при подаче постоянного тока на конденсатор сначала возникает скачок, а затем ток прекращается. Когда затвор полевого транзистора управляется высокочастотным сигналом, схема возбуждения по существу видит только конденсатор небольшой емкости. Для низких и средних частот схема возбуждения должна обеспечивать небольшой ток. На очень высоких частотах или при работе нескольких полевых транзисторов схема управления должна обеспечивать больший ток.

Примечание:
Затвор полевого МОП-транзистора имеет некоторую емкость, что означает, что он будет удерживать заряд (сохранять напряжение). Если напряжение затвора не разряжено, полевой транзистор будет продолжать проводить ток. Это не означает, что вы можете зарядить его и ожидать, что полевой транзистор будет продолжать работать бесконечно, но он будет продолжать работать до тех пор, пока напряжение на затворе не станет ниже порогового напряжения. Вы можете убедиться, что он выключается, если подключите подтягивающий резистор между затвором и истоком.

Сильноточные клеммы:
«Управляемые» терминалы называются истоком и стоком. Это выводы, отвечающие за проведение тока через транзистор.

Корпуса транзисторов:
МОП-транзисторы используют те же «корпуса», что и биполярные транзисторы. Наиболее распространенным в автомобильных стереоусилителях в настоящее время является корпус ТО-220 (показан выше).

---

Транзистор в цепи:
На этой диаграмме показаны напряжения на резисторе и полевом транзисторе с тремя разными напряжениями затвора. Вы должны увидеть, что на резисторе нет напряжения, когда напряжение затвора составляет около 2,5 вольт. Это означает, что ток не течет, потому что транзистор не открыт. Когда транзистор частично открыт, на обоих компонентах возникает падение напряжения (напряжения). Когда транзистор полностью открыт (напряжение на затворе около 4,5 вольт), на резистор подается полное напряжение питания, и падение напряжения на транзисторе практически отсутствует. Это означает, что оба вывода (истока и стока) транзистора имеют практически одинаковое напряжение. Когда транзистор полностью открыт, нижний вывод резистора фактически соединен с землей.

Напряжение на затвор	Напряжение на резисторе	Напряжение на транзисторе
2,5 В	нет напряжения	примерно 12 вольт
3,5 В	менее 12 вольт	менее 12 вольт
4,5 В	примерно 12 вольт	практически нет напряжения

---

—– Критически важный —–

Adobe считает, что Flash-контент на веб-страницах слишком опасен для обычного пользователя Интернета. Практически для всех современных браузеров поддержка Flash была прекращена 1 января 2021 года. Это означает, что эти браузеры не будут отображать какие-либо интерактивные Flash-демонстрации/калькуляторы/графику на этом (или любом другом) сайте.

Самое простое (не самое лучшее) решение на данный момент — загрузить расширение Ruffle для вашего браузера. Он отобразит файлы Flash там, где они были ранее заблокированы. В некоторых браузерах вам придется нажать на большую кнопку «воспроизведение», чтобы сделать апплеты/графику Flash видимыми.

Альтернативой Ruffle для просмотра Flash-контента является использование альтернативного браузера, такого как старая портативная версия Chrome (Chromium), старая версия Safari для Windows или один из нескольких других браузеров. Дополнительную информацию о браузерах с поддержкой Flash можно найти ЗДЕСЬ. Это не так просто, как Ruffle, но любой, даже немного знакомый с панелью управления Windows и установкой программного обеспечения, может использовать Flash так, как это было задумано.

В следующей демонстрации вы можете увидеть, что полевой транзистор подключен к лампе. Когда напряжение ниже примерно 3 вольт, лампа полностью гаснет. Через лампу или полевой транзистор ток не течет. Когда вы нажимаете кнопку, вы можете видеть, что конденсатор начинает заряжаться (обозначается восходящей желтой линией и точкой, где кривая зарядки конденсатора пересекается с белой линией, идущей слева направо). Когда полевой транзистор начинает включаться, напряжение на стоке начинает падать (обозначается падающей зеленой линией и точкой пересечения зеленой кривой с белой линией).По мере приближения напряжения на затворе к пороговому напряжению (~3,5 В) напряжение на лампе начинает падать. увеличивается.Чем больше оно увеличивается, тем ярче становится лампа.После того, как напряжение на затворе достигает примерно 4 вольт, вы можете видеть, что лампочка полностью горит (на ее клеммах полные 12 вольт).Напряжения практически нет через полевой транзистор. Вы должны заметить, что полевой транзистор полностью выключен ниже 3 В и полностью включен после 4 В. Любое напряжение затвора ниже 3 В практически не влияет на полевой транзистор. Выше 4 В эффект небольшой.

---

Конструктивные параметры

Напряжение затвора:
Как вы уже знаете, полевой транзистор управляется напряжением затвора. Для этого типа MOSFET максимальное безопасное напряжение затвора составляет ± 20 вольт. Если на затвор подается более 20 вольт (относительно истока), это разрушит транзистор. Транзистор будет поврежден, потому что напряжение пройдет через изолятор, отделяющий затвор от части сток/исток полевого транзистора.

Текущий:
Как и в случае с биполярными транзисторами, каждый полевой транзистор рассчитан на безопасное пропускание определенного количества тока. Если температура полевого транзистора выше 25°С (приблизительно 77° по Фаренгейту), «безопасная» токопроводящая способность транзистора будет снижена. Безопасная рабочая зона (S.O.A) продолжает уменьшаться по мере повышения температуры. Когда температура приближается к максимально безопасной рабочей температуре, номинальный ток транзистора приближается к нулю.

Напряжение:
полевых транзисторов будут повреждены, если будет превышено указанное максимальное напряжение сток-исток. Вы можете получить техпаспорт у производителя. Технический паспорт предоставит вам всю информацию, необходимую для его использования.

Рассеиваемая мощность: полевые транзисторы
аналогичны биполярным транзисторам в том, что касается корпусов и рассеиваемой мощности, и вы можете перейти по этой ссылке обратно на страницу биполярных транзисторов для получения дополнительной информации. Нажмите кнопку «Назад», чтобы вернуться.

Чувствительность к пороговому напряжению для оценки рабочей функции металлического затвора структур с двойным затвором n-FinFET для технологии LSTP 29620,6 страниц DOI:10.4236/wjnse.2013.31003

Пороговое напряжение чувствительности к металлическому затвору Оценка рабочих характеристик двухзатворных структур n-FinFET для технологии LSTP

M. Mustafa ¹ , Tawseef 9 A.022 2* , M. R. Beigh ²

¹ Институт инженерии и менеджмента Гуру Нанака, Наушера Хошиарпур, Пенджаб, Индия

² Факультет электроники и приборостроения, Кашмирский университет, Индия, Сринагар

Электронная почта: ^* [email protected]

Поступила в редакцию 2 февраля 2013 г.; пересмотрено 8 марта 2013 г.; принят 16 марта 2013 г.

Ключевые слова: FinFET; ДИВЛ; SS; пороговое напряжение; SCE’s

ABSTRACT

В этой статье исследуется чувствительность порогового напряжения к работе выхода с металлическим затвором для n-канальных структур полевого транзистора с плавниками и двумя затворами (FinFET) и оценивается производительность короткого канала устройства с использованием зависимости порогового напряжения от металлического затвора. анализ трудовой функции. Мы провели исследование двухзатворного n-канального плавникового полевого транзистора (n-FinFET) с параметрами в соответствии с прогнозным отчетом International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS-2011 для малой мощности в режиме ожидания (LSTP) с длиной затвора 20 нм. технологический узел. В настоящем исследовании моделирование устройства было выполнено с использованием симулятора PADRE от MuGFET, который основан на теории дрейфа-диффузии. Наши результаты показывают точность и достоверность классических результатов моделирования дрейфа-диффузии для транзисторных структур с поперечными размерами 10 нм и выше. Подпороговое поведение прибора улучшается с увеличением работоспособности металлических затворов. Результаты также показывают, что более высокая работа выхода затвора (≥5 эВ) может соответствовать допустимому току отключения, как прогнозируется в отчете ITRS 2011. SCE в FinFET можно разумно контролировать и улучшать путем правильной настройки рабочей функции металлических затворов. DIBL уменьшается с увеличением функции работы затвора.

1. Введение

Непрерывное уменьшение масштаба МОП-устройства остается настоятельной необходимостью для агрессивного увеличения плотности и производительности транзисторов, что приводит к эффективной работе чипа на более высоких скоростях. Поскольку размеры обычных планарных транзисторов с одним затвором уменьшаются, чтобы соответствовать требованиям проекций Международной технологической дорожной карты для полупроводников (ITRS) [1] для масштабирования полупроводниковых устройств, различные SCE становятся слишком серьезными, стоимость изготовления увеличивается, а процесс изготовления устройств усложняется. все труднее. Проблемы непрерывного масштабирования устройств были решены путем включения усовершенствованных многозатворных структур МОП-устройств, таких как плавниковые полевые транзисторы (FinFET) [2,3], которые используют два или более электрода затвора и ультратонкий корпус. Эти устройства продемонстрировали превосходную производительность устройства при агрессивном масштабировании параметров устройства. Технология FinFET стала очень привлекательной для разработчиков устройств и исследователей в поиске эффективных структурных и технологических параметров в этих устройствах, что привело к диверсифицированным исследованиям таких новых структур устройств.

Очень важным аспектом структур FinFET является настройка порогового напряжения и его чувствительность к различным параметрам устройства. Было проведено исследование чувствительности порогового напряжения к плотности легирования канала в экстремально масштабных структурах MOSFET [4]. В исследовании было обнаружено, что пороговое напряжение фактически нечувствительно к изменению легирования в широком диапазоне плотности легирования, и такая нечувствительность еще больше увеличивается за счет сужения запрещенной зоны в наноразмерных структурах MOSFET. Моделирование устройств, проведенное S. Xiong et al. в [5] показано, что пороговое напряжение нечувствительно к легированию канала ниже 1 × 10 ¹⁹ см ^{− 3} . Более высокие требования к легированию канала для регулировки порогового напряжения могут повлиять на подвижность носителей в канале. Кроме того, из-за случайной и дискретной природы атомов примеси одни и те же макроскопические профили легирования отличаются микроскопически. Таким образом, проектирование работы выхода материалов затвора и поддержание почти внутреннего канала было сочтено более желательным. К.-Р. предложил способ подавить прежнюю проводимость углов в объемных FinFET и добиться разумного регулирования порогового напряжения с низкими токами утечки без увеличения легирования корпуса. Хан и др. [6]. Было замечено, что за счет увеличения работы выхода верхнего затвора при фиксированной работе выхода бокового затвора объемного FinFET пороговое напряжение увеличивается, а ток утечки в закрытом состоянии (I _от ) значительно снижает без увеличения концентрации легирования тела ребра. Моделирование классического устройства, проведенное с помощью Silvaco PISCES в [7], предполагает, что оптимальная работа выхода затвора такова, что уровень Ферми затвора находится на 0,2 эВ ниже (выше) края зоны проводимости (валентной). Ворота Midgap были признаны неэффективными из-за тяжелых SCE. Среди логических технологий устройств MOSFET логическая технология с низким энергопотреблением в режиме ожидания (LSTP) относится к микросхемам менее производительных и недорогих потребительских приложений, таких как бытовые сотовые телефоны, с меньшей емкостью батареи и акцентом на минимально возможное статическое электричество. мощность рассеяния, т. е. минимально возможная утечка или ток покоя (наибольшее пороговое напряжение, В _т ). Существуют сложные задачи по удержанию тока утечки в пределах допустимого диапазона, как это прогнозируется ITRS, и в то же время поддержание требований к более высокому пороговому напряжению в этих структурах устройств. Регулировка порогового напряжения с помощью разработки работы выхода затвора, а не с помощью легирования канала, очень эффективна из-за ограничений, налагаемых на управление током и мобильность в короткоканальных и ультратонких МОП-устройствах. Управление и улучшение SCE в FinFET путем регулировки рабочей функции металлического затвора обеспечивает альтернативный метод управления им либо путем уменьшения высоты и толщины ребра.

Как поликремний, так и металлы использовались в качестве материалов затвора с момента эволюции структур МОП-транзисторов. Агрессивное масштабирование устройств металл-оксид-полупроводник (МОП) требует реализации металлического затвора вместо обычного поликристаллического кремния. Это связано с тем, что многозатворные устройства демонстрируют высокое сопротивление затвора, проникновение легирующей примеси в область канала и увеличение эквивалентной толщины оксида (EOT) из-за истощения поли-Si [8]. Металлические ворота были признаны привлекательными по сравнению с воротами из поликремния с начала 19 века.90 из-за их химической стабильности с диэлектрическими материалами затвора high-k. Кроме того, можно поддерживать более высокие пороговые напряжения путем настройки на подходящую более высокую работу выхода металлического затвора, в то же время достигая высокой стабильности пакета затворов [9-12]. Авторы в этой статье сообщают о чувствительности порогового напряжения в случае n-канальных структур FinFET с двойным затвором к работе выхода с металлическим затвором и исследуют влияние различных SCE на производительность устройства, в то же время заботясь о требуемых допустимых предел тока утечки (I _от ) значение, предсказанное ITRS [1]. Подробное и систематическое исследование оценки производительности устройств FinFET, основанное на зависимости порогового напряжения от работы выхода металлического затвора, чтобы максимально использовать эти устройства, было основной целью настоящей работы и представлено в этой статье.

2. Изменение порогового напряжения и разработка рабочих функций затвора

Выражение порогового напряжения в случае структуры устройства MuGFET может быть выражено как [13]

(1)

где Q _ss представляет собой заряд диэлектрика затвора, C _ox представляет собой емкость затвора, Q _D представляет собой заряд истощения в канале, f _мс представляет собой металл-полупроводник разность работы выхода между электродом затвора и полупроводником, f _f — потенциал Ферми, который для кремния P-типа определяется выражением

(2)

, где N _A — концентрация акцепторов, а n _i — собственная концентрация носителей.

Для ультратонких корпусов и слабо легированных устройств влияние Q _D и Q _ss на пороговое напряжение V _t в уравнении (1) незначительно по сравнению с f _f . Кроме того, V _в представляет собой дополнительный поверхностный потенциал к 2f _f , который необходим устройствам с ультратонким корпусом для внесения достаточного количества инверсионных зарядов в область канала транзистора для достижения пороговой точки. Следовательно, работа выхода электрода затвора является основным параметром для определения порогового напряжения в случае устройств MuGFET.

3. Структура устройства и стратегия моделирования

Двумерное представление структуры устройства FinFET, используемого в настоящей работе по моделированию, показано на рисунке 1, где указаны различные параметры устройства, используемые для исследования моделирования.

Критические геометрические параметры FinFET определены следующим образом:

1) L _g : длина канала или затвора является конечной длиной, выгравированной в нижней части электрода затвора.

2) W _ch : ширина канала определяется как расстояние между двумя боковыми стенками или боковыми воротами с каждой стороны ребра. Другими номенклатурами, используемыми для ширины канала, являются ширина ребра или толщина ребра.

Рис. 1. Двумерная двухзатворная структура n-finFET.

3) t _ox1 , t _ox2 : толщина оксидного материала, нанесенного на обе боковые стенки ребра перед контактом затвора.

4) L _s , L _d : длины удлинения до истока и стока и определяют критическое сопротивление истока/стока и емкость устройства.

Различные значения параметров структуры устройства, взятые для настоящего исследования, соответствуют прогнозному отчету по обновлению ITRS-2011 для технологии LSTP, ожидаемому в 2015 году [1]. Некоторые параметры также определяются пользователем. Эти параметры структуры FinFET перечислены в таблице 1.

В настоящем исследовании моделирование устройств было выполнено с использованием симулятора PADRE от MuGFET [14], который основан на моделировании дрейфа-диффузии. Дрейф-диффузия используется для моделирования устройства из-за того факта, что подпороговые характеристики устройства по-прежнему преобладают над диффузией и отражают характеристики устройства в подпороговой области, а другие результаты достаточно хорошо согласуются с экспериментальными результатами [15,16] . Симулятор дрейфа-диффузии намного быстрее, чем симулятор квантового транспорта, который обеспечивает физическое понимание устройства. Квантово-механические эффекты становятся незначительными при моделировании транзисторных структур с поперечными размерами более 10 нм. Сравнение экспериментальных результатов, полученных в [17] для подпорогового I _d -V _g с результатами моделирования с помощью симулятора MuGFET приведен в [15], что ясно указывает на точность и достоверность классических результатов моделирования дрейфовой диффузии.

4. Результаты моделирования

4.1. Изменение порогового напряжения с рабочей функцией металлического затвора

Поскольку рабочую функцию металлического затвора можно настроить в соответствии с заданным пороговым напряжением, выбор материала, который будет использоваться для металлического затвора в таких устройствах

Таблица 1. Параметры устройства, использованные для моделирования.

^a Пользовательские значения.

будет зависеть от того, какой металл обеспечивает работу выхода, подходящую для достижения заданного порогового напряжения. Сообщается, что МОП-транзисторы, изготовленные с использованием затвора Mo (молебидина), имеют значение работы выхода затвора 5 эВ [11]. Мы исследовали изменение порогового напряжения, В _t для работы выхода затвора в диапазоне от 4,29от 1 до 5,2 эВ в настоящем исследовании моделирования. Было обнаружено, что при увеличении работы выхода затвора FinFET соответствующее пороговое напряжение увеличивается до желаемого значения, как показано на рисунке 2. Зависимость порогового напряжения от работы выхода металлического затвора оказывается линейной зависимостью, которая может быть также проверяется с помощью уравнения (1). Результаты, показанные на этом рисунке, были получены для устройства, имеющего L _g = 20 нм, W _ch = 12,5 нм, EOT = 1,2 нм и V _dd = 0,86 В. Поддержание более высокого порогового напряжения является ключевым требованием для логических технологий LSTP и, следовательно, может быть достигнуто более эффективно за счет увеличения рабочей функции материала металлического затвора.

4.2. Передаточные характеристики

На рис. 3 показано изменение тока стока I _ds в зависимости от напряжения на затворе, V _gs характеристики FinFET для различных значений работы выхода затвора. Рисунок 2. Пороговое напряжение в зависимости от работы выхода затвора n-FinFET.

Рис. 3. Передаточные характеристики n-FinFET для различных значений работы выхода затвора.

Функция

варьировалась от 4,392 эВ до 5,2 эВ. Результаты показывают, что подпороговое поведение устройства улучшается по мере увеличения рабочей функции металлического затвора до более высоких значений. Это связано с тем, что по мере увеличения работы выхода металлического затвора увеличивается соответствующее пороговое напряжение, что, в свою очередь, снижает ток утечки в закрытом состоянии и приводит к улучшению характеристик устройства. Это очень завидные характеристики устройства для LSTP-приложений.

4.3. On-Current

Поведение устройства во включенном состоянии как функция работы затвора показано на рисунке 4. Ясно, что ток устройства во включенном состоянии приносится в жертву повышенному пороговому напряжению с увеличением рабочей функции металлического затвора FinFET. состав.

4.4. Off-Current

Для применения логики технологии LSTP требование к току утечки в выключенном состоянии, согласно прогнозу отчета ITRS 2011, составляет порядка 10 пА/мкм при комнатной температуре. Из характеристик устройства в выключенном состоянии, показанных на рис. 5, видно, что более высокий уровень работы затвора0005

Рис. 4. Работа выхода по току в зависимости от работы затвора n-FinFET.

Рис. 5. Работа выхода затвора в зависимости от тока покоя n-FinFET.

функция приблизительно 5 эВ может выполнить эту допустимую проекцию без тока данной структуры FinFET.

4.5. Соотношение токов включения/выключения

Как показано на рисунке 6, соотношение токов включения/выключения, полученное при моделировании устройства, значительно улучшилось с увеличением рабочей функции металлического затвора FinFET. Хотя ток устройства в некоторой степени снижается с увеличением рабочей функции затвора, но увеличение коэффициента тока включения-выключения является явным признаком общего улучшения тока возбуждения с требуемым низким током утечки в выключенном состоянии для логической технологии LSTP. .

4.6. Снижение барьера, вызванное стоком (DIBL)

DIBL является одним из критических параметров эффекта короткого канала в структурах наноразмерных устройств, поскольку он оценивает общее управление затвором устройства на электростатическом канале устройства. Эффект DIBL заключается в снижении порогового напряжения в наноразмерных МОП-устройствах из-за модуляции потенциального барьера канала истока и стока напряжением стока, чтобы сделать проводимость канала устройства возможной при меньших напряжениях затвора. Из рисунка 7 видно, что DIBL уменьшается с

Рис. 6. Отношение токов включения-выключения в зависимости от работы выхода затвора n-FinFET.

Рисунок 7. DIBL в зависимости от работы выхода затвора n-FinFET.

Рис. 8. Подпороговый наклон в зависимости от работы выхода затвора n-FinFET.

увеличение работы ворот. Это связано с тем, что с увеличением порогового напряжения из-за увеличения работы выхода затвора эффект снижения барьера уменьшается для заданного напряжения истока стока в устройствах FinFET с коротким каналом.

4.7. Subthreshold Slope

График зависимости подпорогового наклона от работы выхода затвора FinFET показан на рисунке 8. Ясно, что подпороговый наклон данной структуры FinFET улучшается с увеличением работы выхода затвора устройства. Улучшенная характеристика SS является результатом увеличения порогового напряжения устройства.

5. Заключение

В исследовании представлена ​​эффективность разработки работы выхода затвора для регулировки порогового напряжения в наноразмерных структурах FinFET. Использование металлических затворов было предложено для наноразмерных устройств FinFET из-за их способности выдерживать диэлектрические материалы с высоким k затвора, которые очень важны для непрерывного уменьшения масштаба структур устройств. Эффективность использования металлических затворов была представлена ​​путем изучения порогового напряжения в FinFET в зависимости от работы выхода с металлическими затворами. Был представлен анализ, основанный на оценке соответствующих SCE и производительности устройства, который поддерживает использование производительности рабочей функции металлических затворов для таких устройств, которые будут использоваться для приложений логической технологии LSTP. В ходе исследования моделирования было замечено, что инженерное пороговое напряжение за счет изменения работы выхода металлического затвора FinFET может привести к созданию FinFET, которые могут снизить SCE и повысить производительность устройства. Изменение рабочей функции затвора устройства оказалось эффективным для регулировки порогового напряжения до желаемого значения. SCE в FinFET можно разумно контролировать и улучшать путем правильной настройки рабочей функции металлических затворов. Увеличенная рабочая функция затвора улучшает соотношение DIBL, SS, тока выключения, тока включения/выключения, но вызывает снижение тока включения устройства.

ССЫЛКИ

1. «Международная технологическая дорожная карта для полупроводников», 2011 г. http://www.itrs.net
2. Д. Хисамото, Т. Кага, Ю. Кавамо и Э. Такеда, «Полностью истощенный канал бережливого производства». Транзистор (DELTA) — новый вертикальный сверхтонкий КНИ МОП-транзистор», Технический сборник IEDM, Вашингтон, округ Колумбия, 3–6 декабря 1989 г., стр. 833–836
3. Д. Хисамото, В. К. Ли, Дж. Кедзиерски, Х. Такеучи, К. Асано, К. Куо, Э. Андерсон, Т. Дж. Кинг, Дж. Бокор и К. М. Ху, «FinFET — самовыравнивающийся полевой МОП-транзистор с двойным затвором, масштабируемый до 20 нм», IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 47, № 12, 2000, стр. 2320-2325. Дои: 10.1109/16.887014
4. М.-Х. Чан, К.-Н. Лин и Г.-С. Лин, «Чувствительность порогового напряжения к плотности легирования в полевых МОП-транзисторах с очень большими размерами», Semiconductor Science and Technology, Vol. 21, № 2, 2006, стр. 190-193. doi:10.1088/0268-1242/21/2/017
5. Сюн С. и Бокор Дж., «Чувствительность устройств с двойным затвором и FinFET к изменениям обработки», IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 50, № 11, 2003, стр. 2255-2260. doi:10.1109/TED.2003.818594
6. К.-Р. Хан, Б.-К. Чой, Х.-И. Квони и Дж.-Х. Ли, «Проектирование полевого транзистора с массивным ребром с учетом работы затвора», Японский журнал прикладной физики, Vol. 47, № 6, 2008, стр. 4385-4391. doi:10.1143/JJAP.47.4385
7. I. De, D. Johri, A. Srivastava и C. M. Osburn, «Влияние рабочей функции ворот на производительность устройства в технологическом узле 50 нм», Solid-State Electronics, Vol. 44, № 6, 2000, стр. 1077-1080. doi:10.1016/S0038-1101(99)00323-8
8. CJ Choi, M.Y. Jang, YY Kim, M.S. Jun, TY Kim, B.C. Park, SJ Lee, H.D. Yang, RJ Jung, M. Chang и HS Hwang, «Эффективная работа металла затвора из металлического сплава Pt-Er, подвергнутого послеотжигу водородом под высоким давлением, на HfO ₂ Film», Японский журнал прикладной физики, Vol. 46, № 1, 2007, стр. 125-127. doi:10.1143/JJAP.46.125
9. RJP Lander, JC Hooker, JP van Zijl, F. Roozeboom, MPM Maas, Y. Tamminga and RAM Wolters, «Настраиваемая рабочая функция металлических ворот с использованием твердотельной диффузии азота», ESSDERC, Флоренция, 24–26 сентября 2002 г., стр. 103–106.
10. М. К. Лемме, Дж. К. Эфави, Х. Д. Б. Готтлоб, Т. Молленхауэр, Т. Уолбринк и Х. Курц, «Сравнение металлических затворных электродов на MOCVD HfO ₂ , Надежность микроэлектроники, Vol. 45, № 5-6, 2005, стр. 953-956. doi:10.1016/j.microrel.2004.11.018
11. R. Lin, Q. Lu, P. Ranade, T.-J. Кинг и К.М. Ху, «Технология регулируемой рабочей функции с использованием Mo Gate для устройств CMOS», IEEE Electron Device Letters, Vol. 23, № 1, 2002, стр. 49-51. doi:10.1109/55.974809
12. Г. Сьоблом, «Технология металлических затворов для усовершенствованных КМОП-устройств», доктор философии. Диссертация, Уппсальский университет, Уппсала, 2006.
13. Ж.-П. Коллиндж, «FinFET и другие многозатворные транзисторы», Springer, Берлин, 2008 г.