05 (Электронные лекции в формате DOC)

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ

НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Тонкопленочные полевые транзисторы на основе

гидрогенизированного аморфного кремния

Полевые (МОП) транзисторы на монокристаллических полупроводниках являются в настоящее время одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых приборов.

Структура такого транзистора в простейшем случае имеет вид:

П ри отсутствии напряжения на затворе исток сток SiO₂

м ежду истоком и стоком включены затвор

в стречно два р – n перехода: n⁺ n⁺

n⁺ p n⁺ Si p-тип

П ри любой полярности приложенного напряжения исток – сток, один из этих p-n переходов будет смещен в обратном направлении и ток в цепи исток-сток будет мал. диэлектрик n p-тип

О днако если приложить к затвору Е_с

положительное напряжение, то, благодаря E_i

э лектрическому полю в полупроводнике, на E_F

г ранице с диэлектриком произойдет E_v

искривление зон и образуется канал n-типа

проводимости. Следовательно, сток и исток

о казываются соединенными через n-канал I_c U_{з 3}>U_{з 2}

б ез p-n переходов. Вольтамперные

х арактеристики МОП транзистора имеют U_{з 2}>U_{з 1}

в ид: U_{з 1}

У величение тока I_c при увеличении U_з = 0

н апряжения на затворе происходит благодаря U_{И - С}

увеличению поперечного сечения канала.

В настоящее время на МОП - транзисторах на основе монокристаллического кремния массово изготавливаются БИСы, СБИСы и другие изделия. При этом встает законный вопрос: если эти приборы давно и успешно изготовляются на монокристаллах, то зачем же их разрабатывать на основе аморфных полупроводников (тем более, что их параметры будут заведомо хуже).

Однако оказалось, что кроме общих достоинств приборов на некристаллических полупроводниках (низкая стоимость, технологическая простота и так далее), существуют задачи, которые невозможно решить, используя приборы на монокристаллах.

Рассмотрим, например, проблему создания жидкокристаллических дисплеев.

Само по себе создание плоского экрана на жидких кристаллах практически любой площади уже давно не представляет проблемы.

Е го конструкция чрезвычайно проста: стекло

сплошной электрод (ITO)

П ринцип работы. ЖК

электроды (ITO)

В чем же дело? Почему только в стекло

последние годы на рынке появились свет

жидкокристаллические экраны приличных размеров?

Дело в управлении этим экраном. Действительно, если исходить из разрешающей способности 10 точек на мм, то экран размером 10 х 10 см должен иметь 1 000 х 1 000 = 10⁶ ячеек, каждой из которых необходимо независимо управлять. Это означает, что между блоком управления и экраном необходимо иметь миллион соединений. А в случае экрана 100 х 100 см – уже 100 млн соединений. Задача не реальная.

В ыход из создавшейся ситуации заключается в создании схемы управления непосредственно на стеклянной подложке жидкокристаллического экрана. Но этот вывод сразу определяет технологию – она должна быть тонкопленочной. Монокристаллы в этом случае не подходят.

Э лектрическая схема экрана Схема упр-я И₁ И₂ И₃

п редставляет собой матрицу

т онкопленочных транзисторов на З₁

a -Si:H, стоки которых соединены с

электродами ЖК-ячеек.

Последние изготавливаются З₂

из пленок ITO.

Технологический процесс

в ключает в себя шесть фотолитографий З₃

(электроды ITO, электрод затвора (Cr),

i-a-Si:H, n⁺-a-Si:H, Si₃N₄, алюминий).

В результате получаем следующую структуру транзистора:

защитное покрытие

алюминий

n⁺- a-Si:H i –a-Si:H

Al

n⁺- a-Si:H

Si₃N₄

ITO

стекло Cr

Подложка с матрицей через зазор соединяется со второй стеклянной подложкой со сплошным электродом из ITO и зазор между ними заполняется жидким кристаллом.

Рассмотрим особенности транзисторов на основе a-Si:H:

1. Благодаря высокому удельному сопротивлению собственного a-Si:H, ток транзистора в выключенном состоянии (при отсутствии напряжения на затворе) весьма мал:

при U_с-и = 24 В и U_з = 0 В → I_с = 1 рА = 10^-12 А.

1. Во включенном состоянии проводимость возрастает на 6 – 8 порядков величины и ток стока составляет десятки мкА:

при U_с-и =24 В и U_з = 30 В → I_с до 100 мкА = 10^-4 А.

1. Наличие локализованных состояний в щели подвижности a-Si:H ограничивает подвижность носителей заряда в канале транзистора: μ_n = 0,1 – 1,0 см²/В·с, μ_р = 0,05 – 0,01 см²/В·с. Это ведет к ограничению максимального тока в открытом состоянии и к ограничению быстродействия транзистора.

Решение последней проблемы возможно либо технологическим путем (получение a-Si:H с меньшей плотностью локализованных состояний), либо конструктивным путем – путем уменьшения длины канала между стоком и истоком.

С другой стороны, уменьшение длины канала ведет к ужесточению требований к фотолитографическому процессу и, как следствие, к увеличению брака. А это особенно критично в случае матриц для дисплеев: любой брак – это визуальный дефект. Поэтому длину канала обычно делают порядка 10 мкм, а, кроме того, используют резервирование транзисторов, а также резервирование строк и столбцов.

Интересным решением этой проблемы явилось создание

вертикального тонкопленочного полевого транзистора.

В этом транзисторе длина канала определяется толщиной пленки диэлектрика и составляет 0,5 – 1,0 мкм.

----------------------------------------------------

Эффекты переключения и памяти в халькогенидных

стеклообразных полупроводниках

Х алькогенидные стеклообразные полупроводники обладают уникальным свойством – эффектом переключения, то есть быстрым переходом материала из высокоомного состояния в низкоомное при приложении напряжения определенной величины.

Другими словами, структура Ме – ХСП – Ме

имеет S – образную ВАХ с участком отрицательного

сопротивления. Впервые эффект переключения был

обнаружен в ХСП в 1963 году Коломийцем – Лебедевым

(статья) и Овшинским (патент) независимо друг от друга.

Несмотря на проведенные с этого времени

многочисленные исследования, единой теории эффекта

переключения до настоящего времени не создано. Разработан лишь ряд моделей и гипотез, объясняющих отдельные эксперименты.

Вместе с тем, на базе этого эффекта созданы две группы приборов, как в дискретном, так и в интегральном исполнении:

• пороговые (или моностабильные) переключатели;

• бистабильные переключатели (или переключатели с памятью).

Начнем с рассмотрения основных характеристик этих двух групп приборов.

Пороговые переключатели на основе ХСП

Типичный переключатель представляет собой пленку ХСП толщиной около 1 мкм, заключенную между двумя металлическими электродами (рис. выше).

ВАХ порогового переключателя симметрична и подобна ВАХ симметричного кремниевого динистора.

Первоначально переключатель находится в высокоомном состоянии, проводимость подчиняется линейному омическому закону, сопротивление порядка 10⁵ Ом.

При напряженности электрического поля порядка

10⁴ В/см линейный закон переходит в экспоненциальный (ln I  U), что соответствует механизму протекания тока, ограниченного пространственным зарядом. При достижении некоторой пороговой величины напряжения (U_th) происходит переключение прибора в низкоомное состояние. Величина порогового напряжения линейно зависит от толщины пленки и соответствует величине электрического поля порядка 10⁵ В/см. При этом сопротивление прибора уменьшается на 5 – 6 порядков величины. Динамическое сопротивление прибора в низкоомном состоянии составляет примерно 1 Ом.

В низкоомном состоянии при уменьшении тока до некоторой величины I_h происходит обратное переключение прибора в высокоомное состояние.

Величина тока в высокоомном состоянии пропорциональна площади электродов (активной площади прибора). Однако в низкоомном состоянии величина тока от площади электродов не зависит. Этот факт свидетельствует о том, что в низкоомном состоянии образуется токовый канал (шнур) с достаточно малым сечением и большой плотностью тока, занимающий лишь малую часть активной площади прибора. В дальнейшем факт образования токового канала был подтвержден экспериментально. Следствием образования канала является малые значения тока (единицы миллиампер) во включенном (низкоомном) состоянии.

Н

d, m

U_th

U_h

апряжение удержания прибора в

низкоомном состоянии (U_h) не зависит от