بخشی از مقاله
چکیده
در سال های اخیر کاربرد ترانزیستورهای سیلیکونی در مدار مجتمع افزایش یافته است چرا که این ترانزیستورها نه تنها به عنوان عنصر فعال بلکه به عنوان خازن و مقاومت نیز استفاده میشود هر چند مدارهای ساخته شده با ماسفت نسبت به مدارهای ساخته شده با بی جی تیها پیچیدهتر و سرعت کمتری دارند ،اما هزینه ساخت کمتر و نیز فضای کمتری اشغال میکنند. بنابراین در فناوری مجتمع سازی در مقیاس بزرگ کاربرد گستردهای دارند.
در ترانزیستورهای اثر میدان سیلیکونی به دلیل وجود لایه اکسید سیلسیم، گرمای ایجاد شده مسیری برای خروج نداشته و این امر باعث به وجود آمدن اثر خودگرمایی میگردد بنابراین یکی از مشکلاتی که در مورد افزارههای مورد بررسی قرار میگیرد و تأثیر روی عملکرد و مشخصات آن دارد اثر خودگرمایی میباشد.به طوری که ثابت شده است دمای ترانزیستور با وجود این اثر بالا میرود و افزایش دما باعث کاهش عملکرد ترانزیستور میشود. در این مقاله ساختار ترانزیستوراثرمیدان سیلیکونی از لحاظ ساختار هندسی، نحوه عملکرد ، خواص الکتریکی و الکتروگرمایی به خصوص اثر خودگرمایی ، فرکانس قطع، مشخصه ترانزیستور و ولتاژ آستانه مورد بحث قرار میگیرد.
1 مقدمه
گیت4 هستند. این دسته از ترانزیستورها خود به دو گروه ماسفت5 و ترانزیستور اثر میدان1، دسته ای از ترانزیستورها هستند که مبنای کار جی فت6 تقسیم میشوند. در این نوع ترانزیستورها، برخلاف کنترل جریان در آن ها توسط یک میدان الکتریکی صورت میگیرد. ترانزیستورهای دو قطبی پیوندی که کنترل جریان امیتر با توجه به اینکه در این ترانزیستورها تنها یک نوع حامل بار و کلکتور با جریان ورودی به بیس صورت می گیرد، کنترل جریان - الکترون آزاد یا حفره - در ایجاد جریان الکتریکی دخالت دارند، سورس و درین با اعمال ولتاژ به گیت صورت میگیرد. از طرفی یکی می توان آن ها را جزو ترانزیستورهای تک قطبی محسوب کرد.
از مطرحترین موضوعها در تکنولوژی الکترونیک ، مدارهای مجتمع مکمل اکسید فلز نیمه رسانا1 میباشد که در سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند و دلیل آن ابعاد بسیار کوچک،ساختار منحصر به فرد و پتانسیل استفاده آنها می باشد.که اساس آنها ترانزیستورهای اثر میدان سیلیکونی میباشد چرا که کاربرد اصلی این ترانزیستورها در مدار مجتمع به عنوان عنصر فعال و همچنین خازن و مقاومت نیز استفاده می شوند گرچه مدارات ساخته شده از بی جی تیها سریع تر و ساده تر می باشند اما به دلیل اینکه ماسفت ها هزینه کمتری دارند و فضای کمتری را نیز اشغال می کنند بنابراین توانستند جایگاه گسترده ای در مجتمعسازی در مقیاس بزرگ2 پیدا کنند. همین ویژگی، تولید انبوه آن ها را آسان می کند، چندان که هم اکنون بیشتر از 85 درصد مدارهای مجتمع، بر پایهی فناوری فلز رویه نیمه هادی طراحی و ساخته میشوند.[1]
ازسوی دیگر درترانزیستورهای اثرمیدان سیلیکونی به دلیل وجود لایه اکسید سیلسیم،گرمای ایجادشده در ترانزیستورها مسیری برای خروج نداشته و این امر باعث به وجود آمدن اثر خود گرمایی در ترانزیستورهای اثرمیدان میگردد بنابراین میتوان یکی از مشکلاتی که در مورد افرازهها بررسی گردد و تأثیر روی عملکرد و مشخصات آن دارد اثرخودگرمایی دانست.[2] به تازگی این اثر در ترانزیستورهای اثر میدان سیلیکونی بررسی شده و نشان داده شده که افزایش دما روی کاهش عملکرد ترانزیستورهای سیلیکونی تأثیر دارد.[3] این مقاله به طور خاص روی اثرات خودگرمایی در ترانزیستور های اثر میدان سیلیکونی تمرکز نموده است.[4] و به این صورت تنظیم شده است که در بخش دوم ساختار ماسفت سیلیکونی ارائه شده است که شامل جزئیات آن هم میباشد.در بخش سوم مدل های فیزیکی و اثرات خودگرمایی ارائه شده است. در بخش چهارم نتایج و منحنی ها محیا شده است و بخش پنجم به نتیجه گیری پرداخته است.
-2 ساختار ترانزیستور اثرمیدان سیلیکونی
-1-2 ساختار کلی
ماسفت یا ترانزیستورهای اثر میدان نیمه رسانا- اکسید- فلز معروفترین ترانزیستور اثرمیدان در مدارهای آنالوگ و دیجیتال است. در ترانزیستور اثر میدان چنانکه از نامش پیداست، پایهی کنترلی، جریانی مصرف نمیکند و تنها با اعمال ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه رسانا، جریان عبوری کنترل میشود. از همین روی ورودی این مدار هیچ اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمیگذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد. عمده تفاوت ماسفت با ترانزیستورجیفت در این است که گیت ترانزیستور ماسفت توسط لایهای از اکسید سیلسیم از کانال مجزا شده است.[5]
-2-2 شماتیک ترانزیستور
شماتیک ساختار یک ماسفت سیلیکونی در "شکل "1 نشان داده شده است.که بسیار شبیه به ساختار [6] میباشد. در زیر فلز گیت یک عایق که در اینجا اکسید سیلسیم قرار داده شده است و بستر از سیلیکون که به طور یکنواخت ناخالصی نوع پذیرنده شده است. ناحیههای سورس و درین به ترتیب در دوطرف با اضافه کردن ناخالصی نوع دهنده برای تشکیل یک ماسفت سیلیکونی نوع ان صورت گرفته است.[7] نکتهای که باید در نظر گرفت تفاوت اتصال فلز در سورس و درین با اتصال فلز در گیت می باشد. اتصال فلز در سورس و درین به صورت اهمی ولی اتصال فلز گیت از نوع شاتکی3 میباشد که در بخش مدل فیزیکی آن را توضیح داده میشود. در جدول1 پارامترهای ساختار ارائه شده است. شماتیک ماسفت سیلیکونی و توزیع ناخالصی در ماسفت همچنین نواحی تشکیل شده در سورس و درین به در" شکل " 2 نشان داده شده است.
- 2 مدل فیزیکی
انتقال فونون1 در حضور یک نقص در شکاف ممنوعه نیمه هادی اتفاق می افتد این اساساً یک فرآیند دومرحله ای است. تئوری که ابتدا توسط شاکلی رید×و سپس هال مشتق گرفته شده است.[8] گرچه انتقال الکترونی در یک ماسفت شبه بالیستیکی میباشد، تأثیر پراکندگی فونون را نمیتوان نادیده گرفت که نقش مهمی را در عملکرد آن ایفا میکند.[9] از آنجایی که اثر گرمایی در طول ناحیه کانال دلیل اصلی پراکندگی فونون در طول عملکرد میباشد. تغییرات دما تأثیر جدی روی قدرت پراکندگی دارد ؟بنابراین اثر خودگرمایی یک فیدبک انتقال الکترونی دارد .[10] از طرف دیگر باید در نظر داشت که برای یک نیمه هادی به دلیل چگالی حالت انرژی مستقل است جریان توسط حاملها مختلف انرژی متفاوت جاری شده می شود. جریان کلی شامل همه حالتها میباشد. به همین دلیل مشابه الکترونها در حالات انرژی مختلف تأثیر متفاوتی دارند. در واقع توزیع دما در طول کانال، باعث اثر خودگرمایی که غیر یکنواخت است میباش که در - 1 - ارائه شده است. [11-13]
- 3 نتایج
در این بخش نتیجه شبیه سازی یک ترانزیستور ماسفت سیلیکونی ترسیم شده است. همان طور که در "شکل "4 مشاهده میشود با تغییرولتاژ درین از صفر تا 5v به ازای ولتاژ گیت 3v جریان خروجی حدوداً به 400ua میرسد. ولتاژ آستانه بدست آمده از "شکل "5 0.43v میباشد.همچنین افزایش دما باعث کاهش عملکرد ترانزیستور ماسفت می شود که در "شکل "5 برای دماهای 300k, 500k و 700k مورد بررسی قرار گرفته است. در حین عملکرد ترانزیستور ماسفت با در نظر گرفتن اثر خودگرمایی، به دلیل عدم خروج گرمای ایجاد شده منجرب به اثرات خودگرمایی میشود عملکرد ترانزیستور ماسفت را در صورت وجود این اثر و عدم آن در "شکل "6 نشان داده است.که منجرب به افزایش دمای افزاره که در"شکل "7نشانداده شده است.نتیجه تحلیل فرکانسی بدست آمده در "شکل "8 محیا شده.
