Элементы и процессы твердотельной электроники

2. Элементы и процессы твердотельной электроники

2.1. Распределение носителей и коэффициент передачи тока  в транзисторной структуре

Если взять в качестве исходного примера n⁺-p-n структуру с однородно легированной базой толщиной , то распределение электронов с диффузионной длиной  будет повторять ранее рассмотренное решение для дырок на n-стороне диодной структуры.

.

Концентрации на границах поддерживаются напряжениями на эмиттерном  и коллекторном переходах :

,

.

Для обратного напряжения на коллекторном переходе  и при   

в этом случае эффективность переноса .Фактически   на величину тока рекомбинации , где   - избыточный заряд электронов в  базе. Тогда эффективность переноса . Величина   представляет собой время диффузии сквозь базу. Поэтому эффективность переноса может быть представлена в виде

Рекомендуемые материалы

                                                    Вторая составляющая коэффициента передачи – эффективность эмиттера  представляет собой долю электронного тока в общем токе эмиттера и естественно определяется отношением дырочного тока эмиттера  к электронному.    В тонком эмиттере  и . Поскольку  и , где    и - объемные концентрации доноров в эмиттере и акцепторов в базе , , .  и - поверхностные, cлоевые концентрации доноров в эмиттере и акцепторов в базе.

 При малых    и тогда .

Этот вывод позволяет резко уменьшить дырочный ток в тонком n+-эмиттере транзистора, если уменьшить скорость рекомбинации дырок на эмиттерном контакте, что и делается применением n+-поликремниевого контакта к эмиттеру.

2.2. Физическая структура биполярного транзистора

Активная область транзисторной структуры формируется базовой и эмиттерной диффузиями в эпитаксиальный слой с концентрацией . Распределение акцепторов при двухэтапной диффузии можно описать гауссовым законом:

,

а распределение доноров может описываться как гауссовой функцией  ,

так и дополнительной функцией ошибок

,       где         .

                Эти распределения включают в себя следующие параметры:

- ,  - концентрации акцепторов и доноров на поверхности базы и эмиттера (при  = 0);

- ,  - характеристические длины диффузии акцепторов и доноров соответственно.

При одноэтапной диффузии характеристическая длина определяется коэффициентом диффузии , зависящем от температуры , и временем ее проведения :                       .

                На рис. 10а приведены распределения доноров и акцепторов , формирующих n-эмиттер, p-базу и n-коллектор. На рис. 10б представлено распределение эффективной концентрации                 . По оси концентраций используется логарифмический масштаб.

                В точках  и  происходит изменение типа электропроводности. Они являются металлургическими границами эмиттерного и коллекторного p-n переходов. Около каждой из них располагается ОПЗ соответствующего перехода; ширина ее показана на рис. 10б как  и . Расстояние между границами ОПЗ в базе составляют эффективную толщину базы .

                На рис. 11а в линейном масштабе показано распределение эффективной концентрации  в области базы. Ее изменение порождает электрическое поле в базе напряженностью

                               .

                                                                                          аРис. 10. Распределения доноров и акцепторов (а) и эффективной концентрации  в активной области биполярного транзистора

                                                                                                              а

                                                                                                              б

Рис.11. Распределение эффективной концентрации  (а) и напряженности электрического поля  (б) в базе биполярного транзистора.

Распределение напряженности поля показано на рис. 11б. Значение поля при движении от эмиттерного перехода к коллекторному сначала положительно, затем проходит через ноль в точке, где  имеет экстремум, и на большей части «электронейтральной » базы отрицательно. Положительное электрическое поле тормозит электроны, двигающиеся от эмиттера к коллектору, а отрицательное – ускоряет.

2.3. Биполярные транзисторы интегральных схем

На рис. 12 показаны физическая структура, разрез, биполярного транзистора интегральных схем и его топологический чертеж, план. Именно эту структуру можно считать началом развития промышленной биполярной кремниевой интегральной технологии, получившей широкое распространение уже в начале 70 годов. Существенная особенность  представленной структуры – применение разделительной p⁺ диффузии для создания бокового изолирующего p-n - перехода. Размеры щели под разделительную диффузию и допустимые расстояния до n⁺ коллекторного контакта увеличивали площадь транзистора на кристалле и тормозили увеличение степени интеграции.

В середине 80 годов был реализован гораздо более высокий уровень интеграции  путем применения изолирующей разделительной канавки, рис. 13. Эта конструкция [6] позволяет расположить базовые выводы вплотную к разделительной канавке и не запрещает разделительной канавке попадать в скрытый n+ слой. В такой новой структуре размер транзистора определяется только шириной контактных окон к базе и эмиттеру и допустимыми расстояниями между контактными полосками выводов базы и эмиттера.

Рис. 12. Физическая структура и топология диффузионных областей в транзисторе с боковой изоляцией разделительной диффузией.

                ЭД – эмиттерная диффузия;                    ЭО – эмиттерное окно;

                БД – базовая диффузия;                                            БО – базовое окно;

                РД – разделительная диффузия;                          КО – коллекторное окно;

                СС – скрытый слой;                                                     ПО – подложечное окно;

                                                                                                              М – металлизация.

Рис. 13. Структура и топология транзистора с изоляцией окисленными канавками.

                              

                                               SiO₂       – окисленные канавки;

                                               ПБ          – пассивная база;

                                               ЭД          – эмиттерная диффузия.

                               2.4. Кремниевые транзисторы СВЧ диапазона

Конструкция и свойства СВЧ транзисторов существенно отличаются от обычных биполярных транзисторов. СВЧ транзисторы работают на частотах порядка 10 ГГц, в то время как тактовые частоты биполярных транзисторов в интегральных схемах, как правило, не превышают 100 МГц. На рис. 14 показана упрощенная эквивалентная схема СВЧ транзистора, сохраняющая наиболее существенные элементы, ограничивающие максимальную частоту .

На частоте  максимальное усиление по мощности падает до единицы

 - граничная частота в схеме ОЭ  . Модуль коэффициента усиления тока в схеме ОЭ падает до единицы на частоте

 где    - постоянная времени эмиттерной цепи, рис. 14

 - время диффузии сквозь базу;

 - время пролета сквозь ОПЗ коллекторного перехода, максимальная дрейфовая скорость электронов  

Становится понятной роль омического сопротивления базы .  Даже если предельно сократить задержки внутри транзистора и увеличить  , то  будет ограничиваться постоянной времени . На рис. 15 показан элемент СВЧ транзисторной структуры.  Тонкая активная база с глубиной залегания перехода менее 1 мкм сочетается с глубокой пассивной p⁺ базой, обеспечивающей уменьшение омического сопротивления базы. Использование гребенчатой структуры, многократно повторяющей приведенный на рис. 15 фрагмент, позволяет увеличить выходную мощность до 10 Вт на частотах порядка 10 ГГц.

Радикальным решением оказалось предложенное в начале 90 годов применение твердых растворов  в качестве тонкой активной базы. Уменьшение ширины запрещенной зоны в твердом растворе затрудняет инжекцию дырок из базы в эмиттер. Даже при объемной концентрации акцепторов в базе см-3 сохраняется близкая к единице эффективность инжекции электронов n+  эмиттером . Сочетание тонкой, около 0,01 мкм ,базы с малым омическим сопротивлением базы позволяет продвинуть максимальные частоты кремниевых транзисторов вплоть до 100 ГГц.  На рис. 16 показана энергетическая диаграмма гетеропереходной транзисторной структуры. Видно, что барьер для инжекции дырок из базы в эмиттер увеличивается на  .

 

2.5. Энергетическая диаграмма контакта металл-полупроводник

Рассмотрим идеальный выпрямляющий контакт металл-полупроводник, не имеющий диэлектрической прослойки из SiO₂ и сопровождающих такую прослойку поверхностных состояний. При внешнем напряжении, равном нулю, и термодинамическом равновесии уровни Ферми в металле и полупроводнике устанавливаются одинаковыми. Уровень вакуума меняется непрерывно, поэтому в точке соединения металла и полупроводника образуется барьер со стороны металла высотой ,  рис.17

,  где  и  – химическое сродство металла и полупроводника соответственно,  является и термодинамической работой выхода из металла,  – работа выхода со дна зоны проводимости полупроводника. Естественно, для выпрямляющего контакта необходимо, чтобы  , т. е. .

В глубине полупроводника дно зоны проводимости опускается относительно его положения на контакте с металлом на величину , где  – контактная разность потенциалов                  ,                                                    (2.1)

здесь  – расстояние от уровня Ферми до дна зоны проводимости в нейтральной части, в глубине полупроводника

,    – эффективная плотность квантовых состояний у дна зоны проводимости. Таким образом, барьер для электронов со стороны полупроводника будет иметь величину , а со стороны металла - . Очевидно, что, если высота барьера со стороны металла уменьшится до , то исчезнет барьер для электронов со стороны полупроводника и область обеднения в полупроводнике.

Под действием внешнего напряжения уменьшается только высота барьера со стороны полупроводника до величины , где  – положительное, т. е. приложенное плюсом к металлу внешнее напряжение. Высота барьера со стороны металла остается постоянной и равной , потому что электрическое поле не проникает в металл, оно всегда сосредоточено в ОПЗ полупроводника.

2.6. Токи в контакте металл-полупроводник

Электронный ток в контакте создается разностью встречных потоков из полупроводника и металла. В случае выпрямляющего контакта на  материале, т. е.  поток из металла превышает поток из полупроводника только при обратном, отрицательном напряжении на металле. При положительном напряжении на металле поток из полупроводника экспоненциально растет с напряжением из-за уменьшения высоты барьера со стороны полупроводника. Барьер со стороны металла остается постоянным, не зависящим от внешнего напряжения, поскольку поле не проникает в металл.

Дырочный ток определяется диффузией дырок в глубине
n-материала и генерационно-рекомбинационными процессами в области обеднения. На границе с металлом концентрация дырок и дырочный ток связаны соотношением, следующим из (1.16):

.    Поскольку равновесная концентрация дырок    на контакте значительно превышает концентрацию дырок во всех остальных точках, то даже при небольшой скорости рекомбинации на контакте  обогащенный дырками слой поддерживает генерационно-рекомбинационный ток в ОПЗ и диффузионный ток в глубине материала. На рис. 18 показаны распределение дырок в контакте металл-полупро-водник при обратном напряжении на контакте.  При большой высоте барьера электронный ток уменьшается и может даже возникнуть инверсный дырочный слой и дырочный ток будет преобладающим. Так что при ,  из (2.1),  из (1.4) такой контакт теряет все преимущества, связанные с отсутствием инжекции и накопления дырок при протекании прямого тока.

2.7.  Гетеропереходы

Гетеропереходом (ГП) называется контакт полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. ГП были внедрены в электронику после освоения технологий выращивания эпитаксиальных слоев из разных материалов. Одним из решающих факторов наращивания эпитаксиальных слоев является близость постоянных решетки для материалов с разной шириной запрещенной зоны. Это условие достаточно хорошо выполняется, прежде всего, среди соединений , поэтому система  явилась базовой для реализации всех основных практических применений ГП.

Среди соединений  достаточно последовательно выполняется правило увеличения запрещенной зоны с уменьшением среднего атомного номера элемента. Одновременно с этим уменьшается величина химического сродства, т. е. работы выхода со дна зоны проводимости в вакуум. Именно поэтому в ГП дно зоны проводимости широкозонного материала оказывается выше дна зоны проводимости узкозонного материала, вся запрещенная зона которого вставлена внутрь запрещенной зоны широкозонного материала, как показано на рис. 19.

Энергетическая диаграмма ГП состоит из двух широких областей пространственного заряда, где энергии состояний определяются электростатическим потенциалом, т. е. решением уравнения Пуассона, и узкой центральной части, где соединяются две плоскости разных кристаллов, или, другими словами, одна центральная плоскость, которая принадлежит одновременно двум кристаллам. Ход потенциала в широких ОПЗ определяется точно так же, как в обычных кремниевых p-n-переходах. В зависимости от концентраций доноров и акцепторов зоны могут изгибаться и вверх и вниз. При внешнем напряжении, равном нулю, общий уровень Ферми соединяет глубины материалов, где положения уровня Ферми относительно краев зон определяются условиями электронейтральности.

Энергетическая диаграмма ГП состоит из двух широких областей пространственного заряда, где энергии состояний определяются электростатическим потенциалом, т. е. решением уравнения Пуассона, и узкой центральной части, где соединяются две плоскости разных кристаллов, или, другими словами, одна центральная плоскость, которая принадлежит одновременно двум кристаллам. На рис. 20 представлена энергетическая диаграмма ГП
n-AlAs/p-GaAs.   В основе модели Р. Андерсона [7] лежит понятие химического сродства, т. е. работы выхода со дна зоны проводимости (ЗП) в вакуум. Этот энергетический зазор между вакуумом и дном ЗП является таким же параметром зонного спектра, как и ширина запрещенной зоны. Уровень вакуума, энергия свободного электрона, не имеет разрыва, а только изгибается вслед за электростатическим потенциалом так же, как и все остальные состояния зонной диаграммы. Поэтому

                                                                                                                           (2.2)

и вслед за (2.2) с очевидным условием

                                                                                                     (2.3)

все энергетические состояния устанавливаются автоматически, если принять во внимание, что в твердых растворах все зонные параметры линейно зависят от доли широкозонного компонента.

После 1990 г. большое распространение получил ГП . До  в твердом растворе сохраняется еще краемниевоподобная зонная структура с нижним минимумом в точке , близкой к точке . Окончательный вывод из литературных данных сводится, по-видимому, к тому, что величину  ''следует рассматривать как эмпирическую величину'' [7], т. е. она не может быть рассчитана из каких-то энергетических зазоров, а должна быть определена из опыта.

По соотношению (2.2)

                                                                      (2.4)

Поскольку  =  [2], то вся разность запрещенных зон приходится на . Используя экспериментальные значения  и  из [7] и соотношение (2.4) примет вид

                ,                                                                                                                            (2.5)

где  - доля германия в твердом растворе.

Cитуация с ГП  прямо противоположна случаю ГП , где, как казалось в начале 70 гг., [5], именно ВЗ почти не терпит разрыва, а вся разность запрещенных зон приходится на разрыв ЗП.

Добавление Ge в р-базу биполярного транзистора поднимает потолок ВЗ и тем самым затрудняет инжекцию дырок из базы в эмиттер. Доноры и акцепторы изменяют высоту барьеров, но не меняют разрывов зон, рис. 21.

2.8. Туннелирование в p-n-переходе

Туннелирование в p-n-переходе представляет собой туннельные междузонные переходы электронов между валентной зоной (ВЗ) и зоной проводимости (ЗП) внутри области пространственного заряда (ОПЗ) перехода. Под действием электрического поля все зонные состояния наклоняются на величину . Ширина запрещенной зоны , как и все другие энергетические зазоры, еще остаются неизменными. На рис.22 представлена энергетическая зонная диаграмма p-n-перехода при приложении обратного напряжения  , такого, что . На рисунке упрощенно показана постоянная напряженность поля  и соответственно постоянны  величины  и  по всей ОПЗ. Видно, что заполненные состояния ВЗ отделены от свободных состояний ЗП с одинаковым значением энергии барьером высотой  и шириной .

Коэффициент прозрачности такого треугольного барьера

Выражение отличается от упрощенного приближения для прямоугольного барьера

,        лишь множителем 4/3 вместо 2, поскольку прозрачность треугольного барьера больше, чем прямоугольного из-за зауженной вершины.

Туннельный ток при обратном напряжении представляет собой поток электронов из ВЗ р-стороны в ЗП n-стороны. Выражение для плотности туннельного тока может быть построено аналогично обычному току в виде произведения заряда электрона на скорость и объемную концентрацию в потоке.

    Здесь  - полное число состояний ЗП и ВЗ в полосе перекрытия, т.е. в полосе состояний с одинаковыми энергиями ЗП и ВЗ. На рис.22 потолок этой полосы совпадает с потолком ВЗ на р-стороне, а дно полосы с дном ЗП на  n-стороне. Вне этой полосы нет исходных электронов с энергией выше потолка ВЗ и нет свободных конечных состояний для переходов ниже дна ЗП.

Скорость туннелирования , при туннельном переходе сохраняется энергия электрона и волновой вектор  в направлении туннелирования, в отличии от лавинного пробоя электрон не рассеивается при туннелировании и поэтому не изменяет свою энергию и импульс.

Пороговым значением  напряжения , при котором начинается туннелирование, будет напряжение

,  здесь  и   - расстояния от уровня Ферми  соответственно до дна ЗП на n-стороне и до потолка ВЗ на p-стороне. Для сильнолегированных вырожденных материалов  и    могут быть выше дна ЗП и ниже потолка ВЗ, тогда  будет положительной величиной. В туннельном диоде туннелирование прекращается уже при прямом напряжении на переходе, рис. 23.

Рис. 23. Туннельные токи в p-n переходе:

1 - невырожденные n- и p- материалы,  и  внутри запрещенной зоны, ;

2 - вырожденные n- и p- материалы,  в зоне проводимости и  в  валентной зоне, ;

2.9. Лавинное умножение

Лавинное умножение является результатом разрыва валентных связей  свободными носителями, набравшими в электрическом поле кинетическую энергию больше ширины запрещенной зоны. Максимальная энергия, набираемая носителями в поле  на средней длине свободного пробега , будет равна , и только в том случае, если поле совпадает с направлением движения носителя. Длина свободного пробега вдоль поля, достаточная для набора энергии, равной ширине запрещенной зоны , составит уже

,

а вероятность того, что носитель имеет столь большую длину свободного пробега, очевидно не превышает

.

В уравнении непрерывности вклад лавинного умножения выступает в качестве члена, пропорционального току, а точнее, проекции тока на направление электрического поля. Поперечная компонента поля, естественно, не меняет энергию движущегося носителя. В одномерном случае

.                                                                                                                                      (2.6)

Коэффициент ионизации  представляет собой обратное расстояние, на котором , точнее, в (15)   — расстояние, на котором ток увеличивается в  раз. По порядку величин

,

действительно в столь сильном поле, что , акты рождения новых электронно-дырочных пар будут происходить на каждой длине свободного пробега и . Приведенные соображения вполне достаточны для понимания аппроксимирующих зависимостей коэффициентов ионизации от электрического поля.

Дифференциальное уравнение с учетом различных коэффициентов умножения для электронов и дырок имеет вид

                                                            (2.7)

Коэффициент умножения для электронов  представляет собой отношение электронных токов с учетом и без учета лавинного умножения

.

Коэффициент умножения может быть получен интегрированием (2.7) по всей области сильного поля, пусть для определенности это будет вся область пространственного заряда перехода . Общее соотношение (2.7) допускает два предельных случая лавинного умножения; монополярное и биполярное. При монополярном умножении один из коэффициентов, обычно a_n, намного превышает другой.

Тогда, пренебрегая _,

,

,

. Монополярное умножение характеризуется сравнительно медленным экспоненциальным нарастанием тока с напряжением. Противоположному случаю биполярного умножения соответствует

,

, теперь уже все носители, и электроны и дырки, участвуют в лавинном умножении. Тогда

  и при   . Величина  имеет размерность и физический смысл объемной скорости генерации электронно-дырочных пар. Даже при лавинных токах  она достигает величин , поскольку  в узких областях генерации порядка .

На рис. 24 показана схема размножения электронно-дырочных пар из одного первичного электрона. Каждый из носителей внутри  ОПЗ рождает новую электронно-дырочную пару прежде, чем он улетит в свою область, т.е. электроны на n-, дырки на  p-сторону материала.

2.10. Структура металл-диэлектрик-полупроводник

На рис. 25 представлена энергетическая диаграмма структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). В качестве верхнего энергетического уровня диаграммы показана энергия вакуума над затвором и подложкой. Материалом затвора в старых структурах 70-х гг. служил алюминий, в новых структурах – это поликристаллический кремний. Энергетическая диаграмма построена для положительного фиксированного в окисле заряда, сосредоточенного на границе раздела. Энергия вакуума повторяет ход потенциала и на границе раздела отрицательная напряженность поля меняется на положительную именно из-за действия сосредоточенного положительного заряда.

В действительности максимум гауссова распределения плотности фиксированного заряда расположен в глубине  на расстоянии от  до  от границы раздела . В настоящее время толщина слоя  между кремниевой подложкой и поликристаллическим кремнием уменьшается до  и менее, поэтому уже нельзя пренебрегать пространственным распределением фиксированного в окисле заряда.

В обозначениях рис.25

,

где         – работа выхода из материала затвора; для алюминия это его химическое сродство, а для поликристаллического кремния – его термодинамическая работа выхода, т. е. расстояние от энергии вакуума до уровня Ферми в кремнии.

 – падение напряжения в диэлектрике,

 – изгиб зон в полупроводнике,

 – энергетическое расстояние от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике,                                  – положительное внешнее напряжение, т. е. плюсом приложенное к затвору. Если обозначить, как и в контакте металл-полупроводник, контактной разностью потенциалов величину  так, что

,    то                                                                                                                                    (2.8)

При  контактная разность потенциалов  распределяется между диэлектриком и полупроводником. Например, при          , как в обычном контакте металл-полупроводник. В режиме плоских зон  и  заряд в полупроводнике равен нулю и напряженность поля в диэлектрике будет уравновешиваться суммарной поверхностной плотностью фиксированного в окисле заряда  и заряда поверхностных состояний  в запрещенной зоне полупроводника.

,                                                                                               (2.9)

 – толщина диэлектрика,  – относительная диэлектрическая проницаемость , . Eмкость диэлектрика

.

Объединяя (2.8) и (2.9) для , получим

                                                                                             (2.10)

Обычно  из-за положительных знаков зарядов  и .

Для заряда в полупроводнике  можно ввести соотношение

,

где  – емкость полупроводника, знак минус связан с тем, что положительный поверхностный потенциал вызывает накопление на поверхности полупроводника отрицательного заряда электронов либо акцепторов и наоборот, отрицательный j_s обнажает доноры и притягивает дырки. Тогда

.

Очевидно, что для тонких диэлектриков с малой плотностью поверхностных состояний в запрещенной зоне .

Напряжение плоских зон служит важной практической характеристикой МДП структуры. По мере уменьшения толщины диэлектрика  все в большей мере определяется уровнем легирования поликристаллического кремния затвора.

               

2.11. Пороговое напряжение МДП транзистора

Пороговым напряжением МДП транзистора называется такое напряжение на затворе, при котором концентрация подвижных носителей, индуцированных в инверсном канале под затвором, равна концентрации примеси в подложке. Принимается, что проводимость в индуцированном канале появляется после того, как потенциал на поверхности достигнет потенциала инверсии. Для n-канального транзистора на p-подложке с концентрацией акцепторов  потенциал инверсии   и (2.9) примет вид

.

Здесь  – заряд подвижных носителей в канале, а  – заряд акцепторов:

где         – ширина ОПЗ под инверсным каналом,  – диэлектрическая проницаемость кремния в отличие от  для .

Обычно пренебрегают зависимостью заряда поверхностных состояний от поверхностного потенциала, считая, что этот заряд уже учтен в напряжении плоских зон. Используя (17) с , можно получить

.

Пороговое напряжение

                                                                                                            (2.11)

Линейная зависимость  описывается емкостью подложки

,                  где  - ширина ОПЗ в подложке

                                                                                                                         (2.12)

 - линейный коэффициент влияния подложки.

2.12. Вольт-амперная характеристика МДП транзистора

Выражение для дрейфового тока стока  может быть получено интегрированием исходного равенства

   в пределах от  на истоке при  до  на стоке при – длина канала,  – ширина канала. В таком выражении  – часть поверхностного потенциала, создаваемая стоковым напряжением. Стоковый потенциал создает тянущее поле для электронов и одновременно уменьшает заряд электронов вдоль канала тем, что увеличивает потенциал канала и поэтому уменьшает напряжение между затвором и каналом. Кроме этого, потенциал канала увеличивает заряд акцепторов под каналом.

,            .

Используя понятие линейного коэффициента влияния подложки , имеем

,

здесь  определяется уже выражением (2.12). Интегрирование дает в крутой области

                                                                                                        (2.13)

Граница крутой и пологой областей, когда  вблизи стока

                                 и в пологой области

                               ,                                                                                                              (2.14)

удельная крутизна      

                Подложка действует вполне аналогично затвору в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом. Обратное напряжение на переходе исток-подложка  расширяет ОПЗ под  каналом и подзапирает канал, индуцированный полем основного, изолированного затвора.

На рис. 26 показаны типичные вольтамперные характеристики МОП транзистора в крутой и пологой областях.

2.13. Конструктивные разновидности МДП транзисторов

За сорокалетие развития технологии МДП схем конструкции и технология МДП транзисторов претерпели существенные изменения. Сформировались несколько самостоятельных научно-технических направлений разработки и применения МДП транзисторов. Среди них:

- Мощные транзисторы,

- Элементы сверхбольших интегральных схем,

- Элементы запоминающих устройств.

Некоторые конструктивно-технологические направления требуют хотя бы краткого обсуждения, поскольку они представляют общетехнический интерес.

2.13.1. Мощные МОП транзисторы

Мощные МОП транзисторы составляют отдельное направление силовой полупроводниковой электроники. На рис.27 представлена структура мощного вертикального  IGBJ транзистора, который представляет собой объединение входного транзистора с изолированным затвором и выходного биполярного транзистора, ток истока входного транзистора подается в базу мощного выходного транзистора.  Малая длина канала, большая крутизна и ток сочетаются с большим допустимым напряжением на коллекторе и стоке, т.к. область обеднения распространяется в слаболегированную n–область и большое напряжение на стоке не вызывает смыкания канала и лавинного пробоя.

2.13.2. Элементы СБИС

Уменьшение размеров транзистора до долей микрона приводит к появлению ряда эффектов короткого канала. Большинство этих эффектов связано с увеличением электрического поля в стоковой области.  Для снижения поля стока используется конструкция с двойной стоковой областью, т.н. структура со слабо легированным стоком  (LDD-транзистор), представленная на рис. 28. Область n-типа толщиной около 0.1 мкм и концентрацией доноров  уменьшает напряженность поля  под затвором вблизи стока. Формирование n-области возможно одновременно с n⁺ – областями истока и стока, если предварительно окислить поликремниевую область затвора. Наклонная окисленная стенка поликремния частично маскирует p-подложку при ионном легировании, рис.28.

2.14. Элементы  ЗУ на МДП транзисторах

Постоянные запоминающие устройства относятся к числу наиболее простых и широко распространенных БИС с широкими возможностями, определяемыми заданной системой микрокоманд и программой, которая записывается  в оперативное или постоянное ЗУ. Использование ПЗУ  с электрической перезаписью обеспечивает микропроцессору большую гибкость и удобство отладки.  Создание ПЗУ с электрической перезаписью на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник с нитридом кремния (МНОП- транзистор) и транзисторов с плавающим затвором было существенным шагом вперед по сравнению с применяемым раннее способом однократного занесения информации в ПЗУ.

Использование МДП транзисторов в качестве элементов программируемых ПЗУ основано на возможности изменения порогового напряжения путем изменения заряда в затворе транзистора.

2.14.1. МНОП транзистор

Структура транзистора с нитридом кремния в затворе показана на рис. 29. Нитрид кремния  выращивается на туннельно прозрачном слое двуокиси кремния  и представляет собой поликристаллическую пленку полупроводника  с шириной запрещенной зоны около 5 эВ с большой концентрацией ловушек, аналогичных поверхностным состояниям на границе раздела  . 

Для записи электронов на затвор подается положительное напряжение, превышающее критическое значение, обычно 20 - 30 В.  Имеющиеся в достаточном  количестве в канале транзистора  электроны туннелируют из зоны проводимости кремния сквозь окисел на ловушки в запрещенной зоне нитрида, рис. 30.

При стирании, т.е. удалении электронов из нитрида, затвор заземляется , а на подложку подается положительное напряжение около 40 В. Электроны возвращаются из ловушек в нитриде в зону проводимости кремния, рис. 30. Механизм переноса электронов сквозь нитрид представляет собой последовательность индуцированных полем переходов с уровней ловушек в зону проводимости нитрида кремния. Время записи составляет обычно около 1 мс, время стирания около 50 мс. Время хранения заряда не менее 3000 часов, допустимое число циклов перезаписи до 10000. На рис. 31 показано распределение напряженности поля в двухслойном диэлектрике с отрицательным зарядом , сосредоточенным на границе раздела. Это примерно соответствует ситуации в МНОП структуре, т.к. захваченные на ловушки электроны не распространяются далеко вглубь нитрида

,                 

С ростом  при записи  уменьшается, при  ток сквозь  прекращается, а величина записанного заряда электронов становится равной

под действием отрицательного заряда положительное пороговое напряжение увеличивается на величину

2.14.2. Транзисторы с плавающим затвором

В восьмидесятых годах на смену записи лавинной инжекцией  и ультрафиолетовому стиранию широкое применение [3] получила структура транзистора с плавающим затвором, использующая запись горячими электронами и стирание тунннельными токами. На рис.32 показана структура такого прибора.

Источником горячих электронов для записи служит стоковая область с сильным продольным полем около . Электроны инжектируются из стоковой области сквозь окисел толщиной около 20 нм. В отличие от лавинной инжекции при записи горячими электронами образуется  минимальное число дырок, поэтому ток p-подложки в режиме записи достаточно мал.

В режиме стирания электроны с плавающего затвора возвращаются в n⁺-стоковую область сквозь туннельное окно с толщиной окисла около 5 нм. При напряженности поля  около  электроны преодолевают треугольный энергетический барьер на границе  высотой  и шириной . Время записи и стирания для транзисторов с плавающим затвором и туннельным стиранием составляет не более 1 мс, максимальное число циклов перезаписи достигает 10000.

2.15. Приборы с зарядовой связью

Принцип действия приборов с зарядовой связью (ПЗС) основан на передаче подвижных зарядов между неравновесными областями обеднения на поверхности. ПЗС системы представляют собой ряд или матрицу близко расположенных друг к другу МОП структур на общей подложке. Образование областей обеднения и передача заряда достигается изменение напряжения на затворах. Основная область применения ПЗС структур – формирователи сигналов изображения. ПЗС матрица – удачный аналог приемной телевизионной трубки, последовательное считывание зарядов позволяет свернуть плоское изображение в телевизионный сигнал.

На рис. 33 показаны две соседние МОП структуры ПЗС системы на p– подложке. Как следует из рисунка, такая простая ПЗС система  не содержит ничего, кроме тонкого окисла  и близко расположенных затворов. Подача положительного напряжения на затвор создает под ним область неравновесного обеднения. Неравновесные области обеднения могут существовать довольно длительное время на поверхности кремния.

Информационный заряд может храниться под затвором или передаваться между затворами до тех пор, пока там не накопится фоновый  паразитный заряд. Источником таких зарядов в области обеднения будут процессы объемной и поверхностной генерации.

2.15.1. Передача заряда между затворами

На рис. 34 показана структура наиболее простой трехтактной системы передачи заряда. Затворы соединены в три линии через два. В режиме хранения напряжение хранения подано на затворы 1, 4, 7 , … , на остальные затворы подано напряжение порядка . Для передачи заряда под соседние затворы вправо на них подается положительный потенциал . Заряды перетекают из-под З₁ в З₂, З₄ в З₅, З₇  в З₈ и т. д. На следующем такте  подается на 2, 5, 8, … затворы, на остальные затворы . Таким образом обеспечивается однонаправленность перемещения зарядов.

2.15.2. Накопление заряда в МОП структурах

Электроны в инверсных слоях могут накапливаться из подложки или из других источников. Для равновесного распределения зарядов характер этих источников и скорость накопления зарядов несущественны. В то же время скорость накопления зарядов  имеет решающее значение для переходных процессов и нестационарных явлениях на поверхности в ПЗС структурах. На рис. 35 показаны два предельных случая накопления зарядов под затворами.

На верхнем рисунке электроны поступают под положительный затвор из сильно легированных областей истока и стока. Если длина канала L , то время диффузии к средине затвора

 Это время порядка 10 нс и сравнимо с постоянной времени перезаряда емкости затвора.  На нижнем рисунке показан затвор ПЗС структуры. Источником зарядов здесь является генерационно-рекомбинационный ток , возникающий в области обеднения. Если центры рекомбинации расположены вблизи средины запрещенной зоны   где - эффективное время жизни в области обеднения,  - ширина области обеднения.

Там, где область обеднения выходит на поверхность, возникает дополнительный ток, связанный с поверхностной рекомбинацией   ,        здесь         – скорость поверхностной  рекомбинации на границе раздела кремний-двуокись кремния.

Генерационно-рекомбинационный ток в области обеднения значительно меньше тока диффузии из сильно легированных областей. Поэтому неравновесные области обеднения шириной, значительно превышающие равновесные  при инверсии могут существовать в МОП структурах и диодах Шоттки в течении миллисекунд.

2.15.3. Связь между зарядом и поверхностным потенциалом

В ПЗС структуре величина поверхностного потенциала  определяется напряжением на затворе  и величиной информационного заряда электронов под затвором . Влияние фиксированного в окисле заряда  и заряда поверхностных состояний учитывается напряжением плоских зон

Заряд акцепторов в области обеднения

Выражение является квадратным уравнением для зависимости  от  и . Если аппроксимировать , где  - усредненная емкость полупроводника, то можно использовать линейный коэффициент влияния подложки , как при упрощенном выводе ВАХ МОП транзистора.

    Тогда

                                                                                          (2.15)

Из (2.15) следует, что при малых  и    может достигать значения   и  опускается до нуля при максимальном заряде . С ростом заряда  поверхностный потенциал уменьшается, т.е. глубина ямы, в которую перетекает заряд из под соседнего затвора, будет уменьшаться. 

2.15.4. Перенос заряда под затвором

Разность напряжений между электродами создает тянущее поле только в зазоре между затворами. Этот зазор составляет доли микрон и может быть сведен к нулю специальной конструкцией затворов. Длина затвора вдоль направления движения электронов принципиально не может быть уменьшена до нуля. Поскольку электрод затвора представляет собой эквипотенциальную поверхность, то тянущее поле вдоль затвора на поверхности  может создаваться только самими подвижными электронами

.

Но из (2.15)  , если пренебречь влиянием подложки. Тогда

 

Вам также может быть полезна лекция "15 Осуществление в делах об административных правонарушениях".

Поверхностная плотность тока на единицу ширины затвора

Когда заряд под затвором  мал, то ток носит диффузионный характер . После того, как заряд превысит пороговое значение , преобладающим становится дрейфовое движение  поле , создаваемом самим зарядом . Это поле порядка , здесь  - величина исходного заряда под предыдущим  затвором,  -длина затвора. Такой необычный самоиндуцированный дрейф представляет собой интересную особенность ПЗС структур. Время переноса основной доли заряда

   Временная зависимость заряда под затвором в процессе переноса

 потери  заряда под предыдущим затвором за время действия тактового импульса  составляет

  и при    . Малые остаточные заряды величиной  диффундируют под затвором в течении времени диффузии     Для уменьшения потерь заряда желательно, чтобы и время диффузии было меньше длительности тактового импульса, т.е. длина затвора достаточно мала.