Предположим, что напряжения на электродах равны нулю, т.е. U_з = U_и= U_с= U_n=0. На границах И-П и С-П существуют p-n переходы, а на границе SiO₂-П - потенциальный барьер e_k. Этот барьер образуется вследствие того, что в пленке SiO₂ существует некоторое количество положительнных ионов, а на поверхности полупроводниковой подложки существуют ловушки, захватывающие электроны. Этот двойной электрический слой и создает потенциальный барьер e_k.

Таким образом, на поверхности n-области формируется отрицательный объемный заряд (толщиной d_n) с электронной проводимостью. В этом случае при U_з=0 и при подаче отрицательного напряжения на сток U_c<0 ток через МОП - транзистор не потечет - I_c =0, т.к. к переходу С-П приложено обратное напряжение.

Рабочая область и энергетические диаграммы МОП-транзистора с

индуцированным каналом

При подаче на затвор отрицательного напряжения U_з<0 электрическое поле отталкивает электроны от поверхности n-области вглубь полупроводника. При этом уровень Ферми Е_F оказывается ниже середины запрещенной зоны, т.е. у поверхности n-области образуется инверсный слой с дырочной проводимостью. В этом слое между И и С формируется р-канал. Этот канал имеет толщину в несколько нанометров и отделен от n-полурповодника областью положительного объемного заряда.

Изменяя -U_з, можно регулировать концентрацию дырок в р-канале, управляя таким образом его проводимостью.

Пороговое напряжение U_{з пор.} - напряжение затвора, при котором в МОП-транзисторе формируется канал.

Если при условии |U_з|>|U_{з пор.}| подать отрицательное напряжение на сток U_c<0 , то в р-канале появится продольное электрическое поле и возникнет дрейфовое движение дырок от И к С, т.е. потечет ток I_c.

Выходные характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом

Пусть U_п=0, U_и=0. Покажем выходные (стоковые) зависимости I_c=(U_c) при фиксированных значениях U_з=const.

Выходные (стоковые) характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом

Ток стока I_c можно регулировать, меняя напряжение на затворе U_з. При этом меняется концентрация дырок в канале. I_c можно регулировать также при помощи напряжения U_c. В этом случае будет меняться дрейфовая скорость движения дырок в канале.

МДП транзисторы со встроенным каналом

Электрическое поле затвора (+) выталкивает дырки из канала, обедняя его основными носителями заряда (рис. )

В режиме обогащения канала электрическое поле (-) втягивает дырки в канал, обогащая его основными носителями заряда. Таким образом, меняя величину и полярность U₃ , можно регулировать проводимость канала, а следовательно величину I_c за счет изменения концентрации дырок.

Устройство МДП транзистора

1 – исток; 2 – затвор; 3 – сток

Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом

EMBED KompasFRWFile

Характеристика передачи (стоко-затворная) МДП-транзистора

- напряжение на затворе, при котором транзистор запирается. называется напряжением отсечки МДП транзистора.

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

EMBED KompasFRWFile

При подаче на затвор отрицательного напряжения ширина запирающего слоя p-n перехода увеличится, а поперечное сечение n-канала уменьшится и, следовательно, увеличится его электрическое сопротивление.

При подключении к стоку положительного напряжения возникает дрейфовое движение электронов от истока через канал к стоку, т. е. возникает ток стока . При изменяется также конфигурация канала. Вблизи истока потенциал n-канала равен нулю, а вблизи стока . Напряжение на p-n-переходе вблизи истока равно , вблизи стока и ширина запирающего слоя растет, а поперечное сечение n-канала снижается.

Таким образом, током стока можно управлять, меняя или . При некотором отрицательном напряжении затвора запирающие слои верхнего и нижнего переходов могут сомкнуться и транзистор оказывается запертым: . При этом напряжение на затворе равно напряжению отсечки .

Статические характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим истоком

Для полевого транзистора используются две характеристики:

• выходная (стоковая)

;

• характеристика прямой передачи (стоко-затворная)

.

Выходные (стоковые) характеристики:

Характеристика прямой передачи (стоко-затворная)

Ток в полевом транзисторе возникает при условии: .

Иногда используется входная характеристика: , которая представляет собой обратную ветвь ВАХ p-n-перехода.

EMBED KompasFRWFile

Технология изготовления интегральных микросхем (ИМС)

МОП-транзисторы или МДП-транзисторы являются одними из основных элементов ИМС. Рассмотрим на их примере технологию изготовления планарных ИМС.

Этапы технологического процесса изготовления ИМС

I этап. Изготовление полупроводниковых пластин:

• Выращивание монокристаллического слитка из расплава;

• Резка слитка на полупроводниковые пластины;

• Шлифовка и полировка пластин.

II этап. Формирование структуры прибора:

• Вакуумное нанесение тонких пленок, окисление, эпитаксия;

• Микролитография (формирование топологического рисунка);

• Диффузия, ионная имплантация примесей.

III этап. Сборка приборов:

• Скрайбирование и разделение пластин на кристаллы;

• Установка кристаллов в корпус и разварка выводов;

• Герметизация, контроль и маркировка.

Рассмотрим более подробно II этап технологического процесса на примере МОП - транзистора с индуцированным каналом р – типа.

В качестве заготовки используется Si - пластина, легированная очень незначительным количеством атомов фосфора - Р. На ней формируют пленку SiO₂ (окисление Si), вскрывают заданные участки методом фотолитографии (а) и проводят легирование пластины атомами Р (б), образуя n - область МОП - транзистора.

Далее снова происходит формирование пленки SiO₂, вскрытие заданных участков (в) и ионная имплантация атомов Р (г). В результате образуется защитное кольцо n⁺ - типа (г) для предотвращения утечек носителей заряда на поверхность подложки.

Затем на пластине формируется двухслойное покрытие из SiO₂ и Si₃N₄ (д), после чего проводится термическое окисление пластины для получения толстого слоя SiO₂ (е). Затем слои SiO₂ и Si₃N₄ удаляют и проводят тонкое окисление (ж).

Для получения затвора на пластину наносят слой поликристаллического Si (проводника) и методом фотолитографии стравливают лишние участки, оставляя в нужном месте участок затвора (з).

Далее проводится имплантация бора В через тонкий слой SiO₂ и образование областей р⁺ - типа (истока и стока МОП - транзистора) (и).

Затем наносят слой SiO₂, формируют в нем отверстия для подвода электрических контактов, наносят слой алюминия Al и стравливают лишние участки, образуя токоведущие дорожки (к).

В результате на пластине сформирован МОП - транзистор с индуцированным каналом р - типа.

Рекомендуемая литература

1. Дулин В.Н. Электронные приборы. Учебник для вузов. М., Энергия, 1977.

2. Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. Учебник для вузов. М., Энергия, 1972.

3. Вакуумная техника: Справочник. Под редакцией Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. М., Машиностроение, 1992.

4. Пипко А.И. и др. Конструирование и расчёт вакуумных систем. М., Энергия, 1979.

5. Ефимов И.Е. и др. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надёжность: Учебное пособие для вузов. М., Высшая школа, 1986.

6. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. Учебник для высшей школы, 2-е издание, С-Петербург: «Унивак», 2000, 320 с.

7. Балекин В.И., Иванов А.Н. Основы расчета и конструирования электронных пушек. Конспект лекций. Л., ЛЭТИ, 1979, 46 с.

8. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. проф. Н.Д. Федорова. –М.: Радио и связь, 1998.–560 с.

9. Жигарев А.А. Электронная оптика и электроннолучевые приборы. Учебник для втузов. – М., «Высш. школа», 1972. – 540 с.

168