Физические основы элементной базы полупроводниковой микроэлектронники

Слой полупроводника между истоком и стоком, в котором регулируется поток носителей заряда, называется проводящим каналом (на рис. 3.8 показан штриховой линией). Электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называется истоком, а электрод, через который они вытекают, — стоком. Электрод, на который подается напряжение, управляющее протекающим через канал током, и расположенный в p-кармане, называется затвором.

Рис. 3.8. Схема полевого транзистора с управляющим р — л-переходом: I — карман р-типа; 2 — карман n-типа; 3 — канал; 4 — подложка p-типа; И — исток; 3 — затвор; С — сток

 

При приложении между истоком и стоком потенциала ток может протекать только в области канала, поскольку между n-карманом и p-подложкой располагается обратносмещенный р—n-переход. На р — n-переход затвора подается обратное напряжение. Глубина образующегося обедненного слоя меняется в соответствии с поданным напряжением: чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой, тем меньше толщина проводящего n-кана ла. Таким образом, изменяя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение проводящего канала и, следовательно, его сопротивление. Напряжение, при котором обедненный слой перекрывает весь канал и прекращает протекание тока, называется напряжением отсечки. Поскольку в работе прибора участвуют носители только одного знака, полевые транзисторы часто называют униполярными.

При отсутствии потенциала между истоком и стоком толщина образованного канала будет одинаковой, зависящей от напряжения на затворе согласно выражению

(3.5)

где W— толщина образованного канала; а — расстояние между границей раздела подложка —n-карман и n-карман—p-карман; , — диэлектрическая проницаемость соответственно материала полупроводника и вакуума; — модуль напряжения на затворе; е— заряд электрона; N— концентрация примеси, см^-3.

Приняв W = 0, можно найти напряжение отсечки, при котором обедненный слой перекрывает весь канал и ток в канале прекращается:

Рис. 3.9. Статические вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р—n-переходом (кривая 2 соответствует более высокому по модулю напряжению на затворе, чем кривая I)

                                                    U₀ = (eN /2)a².                                       (3.6)

При подаче потенциала между истоком и стоком через канал протекает ток и напряжение на р — п-переходе будет меняться, возрастая вблизи стока, что приведет к несимметричному уменьшению ширины канала. При достижении напряжения отсечки образуется «горловина», однако вместо отсечки тока происходит отсечка его приращения, т.е. насыщение тока. Семейство стоковых вольт-амперных характеристик (ВАХ) — зависимостей тока стока от напряжения исток—сток при различных — представлено на рис. 3.9. Кривая 2 соответствует более высокому по модулю напряжению (например, 6 В) на затворе, чем кривая 1 (например, 1 В).

Ток стока при этом уменьшается. Ток течет и при нулевом потенциале на затворе, а сам потенциал может иметь только одну полярность— в данном случае отрицательную. В другом случае р-п-переход будет включен в прямом направлении, начнется инжекция неосновных носителей и транзистор перестанет быть униполярным прибором. Зависимость, определяющая ток стока на пологом участке, хорошо аппроксимируется выражением 

                    ,                                            (3.7)

где Ь — коэффициент, называемый крутизной.

Крутизну определяют по формуле

                                   ,                                                     (3.8)

где — подвижность носителей, см²/В • с; Z, L — соответственно ширина и длина канала (причем подвижность определяется для объема полупроводника, так как канал не граничит с поверхностью).

Рассмотрим второй тип полевого транзистора.

 

 

3.4.2 Устройство и принцип действия полевого транзистора с МДП-структурой

Свое название этот тип полевых транзисторов получил из-за своей структуры металл—диэлектрик—полупроводник. Поскольку в качестве диэлектрика обычно используется окисел, то их называют МОП-транзисторами. Каждый прибор состоит из подложки и расположенных в ее объеме двух сильно легированных противоположной относительно подложки примесью областей (называемых истоком и стоком и обычно геометрически симметричных, хотя и необязательно) и металлического затвора, расположенного на поверхности тонкого (порядка 0,1 мкм и менее) слоя диэлектрика (обычно окисла материала подложки), как это показано на рис. 3.10.

Принцип действия полевого МДП-транзистора основан на эффекте изменения электропроводности поверхностного слоя полупроводника между истоком и стоком под действием напряжения, приложенного к управляющему электроду — затвору, отделенному от поверхности полупроводника тонким слоем диэлектрика. Участок полупроводника с изменяющейся электропроводностью называется каналом и изображается на чертежах в виде тонких скрещенных линий.

Существует две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и встроенным каналом. В МДП-транзисторе с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует. В МДП-транзисторе со встроенным каналом он создан технологическими средствами и присутствует всегда. Поскольку технология транзисторов с индуцированным каналом проще, они имеют преимущественное распространение.

При подаче потенциала между истоком и стоком ток в цепи отсутствует, так как обязательно один из имеющихся р—n-переходов будет включен в обратном направлении и заперт. Если подать на затвор отрицательный потенциал, то приповерхностный слой на границе раздела подложка—диэлектрик обогатится дырками и ситуация не изменится. При подаче положительного потенциала основные носители подложки — дырки — будут оттесняться электрическим полем в подложку, а неосновные — электроны — начнут подтягиваться к границе раздела. При увеличении потенциала на затворе приповерхностный слой будет все более обедняться основными носителями заряда и обогащаться неосновными.

Рис. 3.10. Структура МДП-транзистора: I — окисел; 2 — подложка p-типа

 

Рис. 3.11. Статические вольт-амперные характеристики полевого МДП-транзистора (кривая 2 соответствует более высокому потенциалу на затворе, чем кривая 1)

 

При каком-то значении потенциала (называемом пороговым) концентрация электронов превысит концентрацию дырок, произойдет инверсия (изменение типа проводимости) канала и через него потечет ток. Толщина канала в современных МДП-транзисторах составляет порядка 100.

Необходимо соблюдение точного расположения металлической обкладки затвора над областью канала, поскольку управляющее электрическое поле создает канал только в области своей геометрии, поэтому при меньшей площади затвора на краях канал образовываться не будет и работоспособность прибора будет нарушена. При большей площади затвора электрическое поле будет вытягивать электроны прямо на затвор через подзатворный диэлектрик и работоспособность прибора также будет нарушена.

Индуцированный канал в зависимости от структуры транзистора может быть р- и n-типов, но поскольку подвижность электронов (а следовательно, и быстродействие прибора) в 2,5 раза выше, чем дырок, то транзисторы с л-каналом более предпочти- Цельны. Электронные схемы, в которых используется сочетание транзисторов с р- и n-каналами, называются комплементарными, поскольку необходимым условием их работы является комплемсн- тарность пороговых напряжений на затворе. Одной из основных характеристик полевого МДП-транзистора является стоковая характеристика, представляющая собой зависимость тока стока от напряжения исток—сток, как это показано на рис. 3.11.

Если напряжение U_и-_с (потенциал между истоком и стоком) равно нулю, то поле в диэлектрике однородное и толщина образовавшегося канала везде одинакова. Если U_и-_с > 0, то вследствие протекания тока потенциал поверхности возрастает от истока к стоку. Следовательно, разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока уменьшается, что приводит к сужению толщины канала вблизи стока. При некотором критическом напряжении U₀ на стоке, которое называется напряжением насыщения, разность потенциалов между затвором и поверхностью вблизи стока становится равной нулю. При этом в этой точке становится равной нулю напряженность поля в диэлектрике, образуется «горловина» канала. После этого ток в рабочей цепи практически не зависит от напряжения на затворе и наступает насыщение, что соответствует пологому участку ВАХ (кривая 2 соответствует более высокому потенциалу на затворе, чем кривая 1).

На практике пользуются эмпирическими выражениями для ВАХ:

                     ,                             (3.9)

где b — удельная крутизна МДП транзистора.

Удельная крутизна МДП-транзистора определяется по формуле

                          ,                                       (3.10)

где — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; — приповерхностная подвижность носителей (обычно в 2 — 3 раза меньше объемной); W — ширина канала.

Но выражение (3.10) описывает участок кривой для  < < — напряжения насыщения. Для пологих участков ВАХ пользуются выражением

      .                              (3.11)

Выражению (3.11) соответствует так называемая стоко-затвор ная характеристика — зависимость тока стока от напряжения на затворе при фиксированном напряжении исток—сток (рис. 3.12). Приведенные эмпирические выражения широко используются на практике, однако они дают большую погрешность при расчетах при высокой концентрации примесей — свыше 10¹⁵ см^-3 (что чаще всего и имеет место). Стоко-затворная характеристика определяется крутизной Ь, которая, в свою очередь, зависит от длины канала, ширины канала и толщины подзатворного диэлектрика.

Рис. 3.12. Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора:

1,2— стоко-затворные характеристики МДП-транзистора

 

 

Действительно, чем меньше длина канала, тем меньше его сопротивление, соответственно, тем больше ток при прочих равных параметрах и тем круче характеристика. Чем больше ширина канала — тем больше носителей участвует в процессе переноса тока и тем круче кривая 2 по отношению к кривой 1. Чем тоньше под- затворный диэлектрик, тем легче электрическое поле проникает в полупроводник и тем раньше потечет ток. Следовательно, в этом случае стоко-затворные характеристики будут соответствовать различным значениям порогового напряжения и исходить из разных начальных точек.

 

 

3.5 Приборы с зарядовой связью

Одним из наиболее значительных достижений электроники являются приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые с точки зрения их исполнения представляют собой совокупность МДП-структур и являются планарными конденсаторами с соответствующей структурой. Первый ПЗС был изобретен в 1969 г. и представлял собой линию задержки на МДП-конденсаторах. Схема МДП-конденсатора приведена на рис. 3.13. Область стоп-диффузии называется стоп-каналом, представляет собой узкую полоску с повышенной концентрацией основной легирующей примеси и служит для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении.

Концентрация легирующей примеси определяет, при каком конкретном напряжении на затворе под действием электрического поля в подзатворной области подложки происходит процесс инверсии типа проводимости. Технологический процесс получения ПЗС должен в простейшем случае обеспечить лишь нанесение металлических электродов на слой диэлектрика, который создается на поверхности кремниевой подложки. При этом не нужно проводить операции диффузии и вскрывать окна в слое диэлектрика. Единственной операцией является маскирование для создания металлических слоев.

 

Рис. 3. 13. Схема МДП-конденсатора: I — металлический электрод; 2 — полупроводник (кремний p-типа); 3 — область стоп-диффузии; 4— диэлектрик

 

 

 

 

 

Рассмотрим процессы, происходящие в МДП-конденсаторе при импульсном возбуждении. Если к металлическому электроду 1 (см. рис. 3.13) приложить положительное напряжение, то под поверхностью полупроводника в случае полупроводниковой подложки p-типа образуется слой 2, свободный от основных подвижных носителей — дырок. Как и в случае МДП-транзистора такой слой называется обедненным слоем, а состояние кремния — состоянием обеднения.

С течением времени обедненная область заполняется неосновными носителями заряда (в рассматриваемом случае — электронами), т.е. происходит процесс инверсии типа проводимости. Если при этом параллельно происходит какой-либо физический процесс, инициирующий генерацию свободных электронов в такой структуре (например, облучение светом и генерация фотоэлектронов), то заполнение происходит гораздо быстрее. Под электродом образуется инверсионный слой толщиной около 10 нм, представляющий собой потенциальную яму. Распределение потенциала U в глубину полупроводника описывается уравнением Пуассона:

(3.12)

где е — заряд электрона; N_a — концентрация акцепторной примеси.

Тогда путем несложных преобразований с учетом толщины слоя окисла L, глубины обедненного слоя x_d для напряжения U₃ на металлическом электроде можно получить

 

где Q_e — заряд неосновных носителей, находящихся у поверхности и приходящийся на единицу площади.

Величина заряда Q_e не остается постоянной с течением времени, а увеличивается за счет тепловой генерации носителей в объеме полупроводника, диффузионного тока на краях обедненной области и за счет тепловой генерации на поверхностных дефектах кристаллической структуры. В результате состояние полупроводника под электродом после приложения положительного напряжения изменяется от глубокого обеднения до сильной инверсии, т.е. до того состояния, когда концентрация электронов становится равной акцепторной примеси. При этом отрицательный заряд примеси в обедненной области нейтрализуется положительным зарядом, возникающим в процессе тепловой генерации электронно-дырочных пар.

Таким образом, электроны, накапливаясь в потенциальной яме, частично нейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полупроводнике затвором, и могут его полностью компенсировать, но при этом в верхнем приповерхностном слое полупроводника образуется тонкий слой электронов, т.е. возникает заряд.

Время, в течение которого происходит переход из одного состояния в другое, называется временем хранения и зависит от чистоты исходного материала и технологии изготовления полупроводникового монокристалла. Современная технология позволяет получать полупроводниковые кристаллы с временем хранения от нескольких минут до пикосекунд. В течение этого времени МДП-конденсатор можно использовать для хранения аналоговой информации, представленной зарядом под электродом. Этот заряд можно инжектировать либо через специальный р—n-переход, либо фотоэлектрическим способом.