Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

или с помощью поперечного электрического поля, сосредоточенного в пространстве между полупроводником и затвором, формируют проводящий канал. Тип носителей тока в канале (электроны или дырки) соответствует типу проводимости полупроводникового матиала истока и стока. В зависимости от типа носителей тока в канале различают МДП-транзисторы с «-каналом (рис. 4.5.1, а, в) и р-каналом (рис. 4.5.1, в, г).

МДП-транзисторы, в которых тонкий п- или р-канал сформирован технологическим путем (ионное легирование), называются транзисторами со встроенным каналом (рис. 4.5.1, а, б). Система затвор-диэлектрик-полупроводниковый канал подобна конденсатору, в котором поверхностная плотность свободного заряда, определяющего проводимость канала, зависит от величины и направления электрического поля в диэлектрике. В МДП-транзисторах со встроенным каналом под действием управляющего поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе, осуществляется модуляция проводимости канала и соответственно управление током, протекающим по каналу лежду истоком и стоком. Так, если в МДП-транзисторе с «-каналом (рис. 4.5.1, а) к затвору относительно канала приложено положительное напряжение, то канал обогащается электронами и увеличивается проводимость канала (режим обогащения). Наоборот, при отрицательном напряжении на затворе в канале у границы раздела Si-ЗЮг наблюдается обеднение электронами и проводимость канала уменьшается (режим обеднения). В МДП-транзисторе с р-каналом (рис. 4.5.1, б) в зависимости от полярности напряжения на затворе наблюдается обогащение (С/3 <0) или обеднение (С/3 >0) канала дырками.

МДП-транзисторы, в которых проводящий канал устанавливается под действием поперечного электрического поля между затвором и подложкой, называются транзисторами с индуцированным каналом (рис. 4.5.1, в, г). Такие транзисторы работают только в режиме обогащения. Для образования индуцированного канала в «-канальном транзисторе на затворе подается положительное напряжение. Поверхность полупроводника обогащается электронами и обедняется дырками. При вполне определенном напряжении на затворе происходит инверсия проводимости приповерхностного слоя полупроводника р-типа и между истоком и стоком устанавливается «-канал. Проводимость канала модулируется изменением напряжения на затворе. В МДП-транзисторе с индуцированным р-каналом для образования канала на затвор подается вполне определенное отрицательное напряжение. При этом приповерхностная область подложки обедняется электронами и обогащается дырками - образуется инверсиопный р-слой., В интегральных схемах МДП-транзисторы с индуцированными каналами обычно вй-полняют роль управляющих ключей, а МДП-транзисторы со встроенными каналами - активных нагрузок.

В ранних разработках ИС наиболее широко использовались МДП-транзисторы с р-каналом, так как технологически более про-

СТО контролировать (поддерживать в заданных пределах) параметры этих транзисторов. Дело в том, что в процессе производства транзисторов в приповерхностном слое диэлектрика ЗЮг формируется встроенный положительный заряд независимо от типа канала. Этот заряд оказывает существенное влияние на условия образования канала. В транзисторах с индуцированным р-каналом связанный положительный заряд вызывает обогащение поверхности полупроводника электронами (аккумуляция электронов) и лишь несколько повышает отрицательное напряжение на затворе, при котором формируется инверсионный дырочный слой. В транзисторах с индуцированным «-каналом связанный положительный заряд, наоборот, уменьшает положительное напряжение на затворе, при котором образуется «-канал. При большом связанном положительном заряде может образоваться встроенный «-канал. Для предотвращения образования встроенного канала и стабилизации условий его образования требуется высокая культура производства микросхем с «-канальными МДП-транзисторами и пооперационный контроль в процессе производства.

В последнее время в ИС и БИС широко применяются «-канальные МДП-транзисторы, характеризующиеся повышенным быстродействием. Быстродействие МДП-транзисторов определяется ско-pocTf>ro дрейфа носителей тока в канале идр=(х£ и процессами заряда и разряда паразитных емкостей полупроводниковой структуры. Электроны имеют значительно большую подвижность, чем дырки.

Рассмотрим более подробно физические процессы в «-канальном МОП-транзисторе. На рис. 4.5.2 представлены идеализированная структура (пренебрегается влиянием связанного заряда в диэлектрике) МОП-транзистора, зонные энергетические диаграммы и распределение плотности зарядов в этой структуре для различных условий на затворе с целью иллюстрации влияния потенциала затвора на поверхностный потенциал полупроводника и условия образования инверсионного слоя. Здесь приняты следующие обозначения: фмо, <рпо - высоты потенциальных барьеров на границах металл-окисел и полупроводник-окисел; фпов - потенциал поверхности полупроводника, отсчитываемый относительно потенциала середины запрещенной зоны; фр - потенциал Ферми. Напряжение между затвором и подложкой С/3П равно потенциалу затвора С/3 относительно заземленной подложки. В качестве металла затвора наиболее широко применяется алюминий. Для системы А1-ЗЮг фмо3,2 В. Высота барьера на границе Si- Si02 не зависит от степени легирования и ориентации кристалла и равна фпо~3,25 В.

При С/з =0 уровень Ферми постоянен во всей системе (рис. 4.5.2, а). В этом случае справедливо соотношение для потенциалов

фмо+ Фо 0=ФпО-фиов 0+- + ФР, ((4.5.1)



SIO,

Q ©+©+.©+e+e+©+ © ©+©+e+e+e+e+ 0 e+ e+ ©+ p e+e+

© 0+0+8+8+8+©+

H. i

8 8 8 ©

1+ + + + + +

ЗаряВ аицешйрн! aoHoS

1>1Укип!

SCO.

&+ ©+ ©+0+©t ©+©+ + +

8+©+©+©+©+©+©+

0+ ©+ ©+ ©+ ©+ в ©+ + +

0+ ©+ ©+ в+ ©+ 0+ Q+

5аряВ дьфй/


SL6,

©+ ©+ ©+ 8+ е+ е+8+

©+ ©+ 8+ 8+ 0+0+8 + ©+©+ ©+ 8+©+ Р 8 + 8+ 8+8+ 8+ ё+ &+ 8+ Y/

3 пор 3

510,

© © © 8+8+ ; ©+ /

i 8 0 ©+8+©+©+

6 е Q Q + * • + So

/ слой

"кон

Соедтншя облас/т

"апз

хд-0

; j-/4г

i/!/Sepct/omoea слоя г)

mynilsTJVl диаграммы и распределение концентрации зарядов в МОИ структуре при отсутствии пространственного заряда в диэлектрике и раз

ных потенциалах затвора:

а) и=0: 6) Г7з = Ф„„„<0; в) и <0. t/g > ф„ ]: г) >Г/з

где фоо. фпово - падение потенциала на диэлектрике (окисле) и потенциал поверхности полупроводника при U3 =0. Изгиб энергетических зон у поверхности полупроводника происходит под действием контактной разности потенциалов металл-полупроводник;

Фк МП = Фмо-(фп о + А ё/2д + фр).

(4.5.21

Из (4.5.1) и (4.5.2) следует: фкмп=-(фоо + фпово). Падение потенциала происходит на диэлектрике толщиной и слое отрицательного объемного заряда в полупроводнике /1опз=оггз-В табл. 4.5.1 приведены значения фкмп для полупроводников п- и /?-типов с различной концентрацией атомов примесей. Из таблицы видно, что фкмп в р-канальных приборах (подложка п-типа) мало и во многих случаях при анализе характеристик полевых транзисторов не учитывается.

Таблица 4.5.1

Зависимость контактиой разности потенциалов металл-полупроводник фкмп от степени легирования полупроводника (металл-алюминий)

Кондеитрация атомов примеси в SI, CM-

«Ркмп- В

Al-SiOa-n-Sl

AI-SIOj-p-Sl

101*

-0,36

-0,82

10"

-0,30

-0,88

10"

-0,24

-0,94

10"

-0,18

-1,00

Условие равенства нулю полного заряда в рассматриваемой системе 2Q=0 обеспечивается положительным зарядом затвора,, равным по абсолютному значению заряду ОПЗ (области пространственного заряда). Для осуществления условия плоских зон необходимо на затвор подать отрицательный потенциал IJ3 =

= фкмп<0.

Зонная диаграмма для =фкмп показана на рис. 4.5.2, б. Объемная плотность заряда во всех областях структуры равна нулю. Дальнейшее повышение отрицательного потенциала на затворе структуры вызывает аккумуляцию дырок у поверхности раздела Si-ЗЮг (рис. 4.5.2, в).

Для обогащения приповерхностной области полупроводника электронами на затвор структуры необходимо подать положительный потенциал. При фповфр формируется инверсионный слой, образующий канал п-типа между истоком и стокрм (рис. 4.5.2, г). Канал обладает достаточной проводимостью, если концентрация индуцированных электронов превышает концентрацию атомов акцепторной примеси (электронная проводимость сравнима с собственной дырочной).



Учитывая известные соотношения для концентраций носителей заряда в легированных полупроводниках

«р(0) = «роехр(фдов/ф1);

Про = Пгехр(-фр/ф,); (4.5.3)

•Va » Рр о = «i ехр (фр/фг).

из соотношения Пр{0)Мгярро получим условие образования достаточно проводящего канала

Флов>2фр. (4.5.4)

При Г=293 К, Ла=10б см-з, ni=:6,55-109 см-з из (4.5.3) и (4.5.4) следует: фпов2фт1п(Ла/Пг) ~0,72 В. Зонная диаграмма для f/g > >0 и фпов~2фр изображена на рис. 4.5.2, г. Потенциал (напряжение) затвора, соответствующее условию фпов~2ф?, называется пороговым С/зпор. Из распределения зарядов в подложке видно, что канал изолирован от подложки слоем отрицательного объемного заряда акцепторов, имеющим толщину Лрпз =-онз -лкан.

Ненасыщенные связи на поверхности полупроводника и различные примеси в окисной пленке образуют встроенный заряд, существенно влияющий на пороговое напряжение. Рассмотрим зонную диаграмму и распределение заряда в областях МОП-структуры с положительным пространственным зарядом в диэлектрике при нулевом потенциале затвора (рис. 4.5.3). Положительный заряд индуцирует электроны в приповерхностной области полупроводника. Для образования инверсионного слоя требуется меньший положительный потенциал затвора по Сравнению со случаем (?д?»0 (идеализированная модель). Если используется высокоом-кая подложка р-типа, то положительный пространственный заряд диэлектрика оказывается достаточным для образования встроенного канала при С/з =0. Для устранения этого явления при изготовлении п-канальных МОП-транзисторов используются сравнительно сильнолегированные подложки с Ла»5-10 см-з (рул; л;0,5 Ом-см).

При рассмотрении распределения зарядрв в областях МОП-транзистора при различных напряжениях затвора и стока относительно истока (рнс. 4.5.4) необходимо обратить внимание на то, что при приложении к затвору напряжения С/3 >С/зпор канал формируется вследствие инжекции электронов йз истока (п+-об-ласть) прямосмещенным р-л-переходом, taK как поверхность р-подложки имеет положительный потенцирл фпов ~2фр« 0,72 В относительно истока. При положительном нОтенциале стока С/с>0 по каналу от стока к истоку протекает ток. Канал и объемный заряд в подложке имеют переменное сечение, что обусловлено изменением разности потенциалов затвор-канал и канал-подложка по длине канала. У стока минимальная толщина канала и максимальная толщина слоя объемного заряда. Распределение зарядов, «оказанное на рис. 4,5.4, в, соответствует небольшим напряжениям стока С/с < С/з-С/з пор. При С/с=.С/з -С/дпор. т. е. при С/3 -

С;с=С/зпор происходит перекрытие канала у.стока коротким и толстым слоем объемного заряда с высокой продольной составляющей электрического поля (рис. 4.5.4, г). Этот участок канала МОП-транзистора подобен коллекторному переходу биполярного транзистора, в котором носители тока переносятся дрейфом в электрическом поле объемного заряда. Распределение зарядов в МОП-транзисторе при С/с > С/3 - С/3 пор показано на рис. 4.5.4, г.

© е ®+G+e+e+e+

© © ©+ в+ в+ 0+ ©+

© 9 ©+ Q+ 0+ Р в +

© 9 ©+в©+0+0

д -- ъ

©+ ©+ ©+ ©+©+ ©+ в+©+ ©+©*

© G © 0

©©ее

©+ <Э+ в+ 0+

0+ ©+©+ ©+©+ в+ ©+в+0+ Р

Мерсио.ншй . 3 Обеднтная сдой uSmcmb -,-

7

jmtittvfmL

© 0

~\© © © ©

f

0+ 9+ e+ 0+0+ 0+ ©+ ©+ ©+ 0+0+ e+ 0+ P


npocmpommffemi/u Sfffiji - 6 ifmempuNB

гд-0


ЗаряЗ он1(епторны*

\ UOMffS

Рис. 4.5.3. Энергетическая диаграмма и распределение концентрации зарядов в

МОП-структуре прн наличии пространственного заряда в диэлектрике Рис. 4.5.4. Распределение концентрации зарядов в областях МОП-транзистора:

а) VV( = Q; б) t7g>t7gnop- 1С=0; в) V V >; г) U>Uoj,- Uc>U-U

§ 4.6. Вольт-амперные характеристики и статические параметры МДП-транзисторов

Рассмотрим структуру МДП-транзистора, изображенную на рис .4.6.1, Канал имеет длину LKan. Затвор несколько перекрывает области истока и стока для гарантированного формирования канала во всем промежутке исток-сток. Ширина затвора В„ан определяет ширину канала. Начало координат расположено в точке О, лежащей на границе раздела полупроводник-диэлектрик у истока. Все потенциалы в структуре отсчитываются от потенциала ис-





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47