Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Более того, площадь паразитного конденсатора Сва даже несколько больше плов+ У „ с гг щади рабочего. Поэтому ем- кости С,„р н С различаются З~ только благодаря различию удельных емкостей переходов БК и КП и различию наРнс. тяз. Роль паразнтной емкости пряжений на этих перехопрн передаче переменного напряжения дах. Расчеты показывают, через дяффрвнонный конденсатор что в реальных структурах ИС паразитную емкость С,„р не удается сделать меньше (0,15-0,2)С. Соответственно коэффициент передачи не превышает 0,8-0,9. Аналогичные выводы и аналогичная эквивалентная схема действительны и для ДК> использующего переход БЭ. В последнее время в качестве накопительных конденсаторов в элементах памяти широкое применение находят структуры на основе ()-канавок (рис. 7.11).
По существу, использование таких конденсаторов эквивалентно «вертикальному» интегрированию структур, когда область накопления заряда располагается не на поверхности кристалла, а в его объеме. Это позволяет резко увеличить степень интеграции. МОП-конденсатор. Интегральным конденсатором, принципиально отличным от ДК, является МОП-конденсатор. Его типичная структура показана на рис. 7.44. Здесь над эмиттерным 7ЛО.
Пелуароводввкэвые коидеисзторы Ряс. 7.44. МОП-коядевсатор с диэлектриком аю -э -з -з -з -з о г и,в Ркс. 7.45. Вольт-фзрадязя характери. стека МОП-ковдеясатора: 1 — без об- разо»зияя иввэрсиоввого слоя; 3 — яри образования ияверсяоявого слоя и«-слоем с помощью дополнительных технологических процессов выращен слой тонкого (0,08 — 0,12 мкм) окисла. В дальнейшем, при осуществлении металлической разводки, на этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора. Нижней обкладкой служит эмиттерный п«-слой.
Удельная емкость МОП-конденсатора выражается формулой (7.4) и обычно составляет около 350 пФ/ммз. Основные параметры МОП-конденсаторов приведены в табл. 7.4. Важным преимуществом МОП-конденсаторов по сравнению с ДК является то, что они работают при любой полярности напряжения, т.е.
аналогичны «обычному» конденсатору. Однако МОП-конденсатор, как и ДК, тоже нелинейный; пример вольт-фарадной характеристики (которую обычно называют С вЂ” П характеристикой) показан на рис. 7.45. Зависимость С((7) обусловлена тем, что емкость МОП-конденсатора, вообще говоря, представляет собой последовательное соединение двух емкостей: емкости диэлектрика (о которой говорилось выше) и емкости обедненного слоя, который может образоваться в приповерхностиой области полупроводника.
В конденсаторе, показанном на рис. 7.44, при нулевом и положительном напряжениях на металлической обкладке приповерхностпая область оказывается обогащенной электронами, т.е. обедненный слой отсутствует. Соответственно емкость конденсатора определяется диэлектриком и имеет максимальное значение. Глава 7. Элеиевты интегральных схем 270 При отрицательных напряжениях постепенно образуется обедненный слой.
Его глубина растет с ростом напряжения, а емкость соответственно уменьшается. Это приводит к уменьшению результирующей емкости МОП-конденсатора (кривая 1). При достаточно большом отрицательном напряжении вблизи поверхности образуется инверсионный дырочный слой, т.е. проводящий канал. Тогда емкость обедненного слоя оказывается «отключенной» от емкости диэлектрика, и результирующая емкость МОП-конденсатора снова приближается к начальному значению (кривая 2). Для того чтобы влияние обедненного слоя было незначительным, необходимо, чтобы емкость этого слоя была большой по сравнению с емкостью диэлектрика. Такое требование удовлетворяется при большой концентрации примеси в полупроводнике.
Именно поэтому в качестве полупроводниковой *обкладки» МОП-конденсатора используется л -слой. Одновременно, благодаря малому сопротивлению атого слоя, обеспечивается высокая добротность конденсатора. Паразитная емкость МОП-конденсаторов учитывается с помощью уже известной эквивалентной схемы (рис. 7.43), где под емкостью С,„следует понимать емкость между п-карманом и р-подложкой. Коэффициент передачи (7.9) в данном случае составляет не менее 0,9 — 0,9б. Важной особенностью МОП-конденсаторов является зависимость их емкости от частоты. Такая зависимость обусловлена влиянием быстрых поверхностных состояний на границе полупроводник — диэлектрик. Перезаряд этих состояний является и.10 см!с 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 2 4 б З 10 12 14 15 Е,кв/см Рве.
7.46. Зависимость дрейфовой скорости электронов проводимости от напряженности электрического поля 7.11. Влемепеы ИЕ пв полупроводпппах группы А В" 271 инерционным процессом и происходит с постоянной времени порядка 0,1 мкс. Поэтому с ростом частоты емкость МОП-конденсатора уменьшается и достигает установившегося значения лишь при частотах более нескольких мегагерц. В заключение заметим, что в МОП-транзисторных ИС, в отличие от биполярных, изготовление МОП-конденсаторов не связано с дополнительными технологическими процессами: тонкий окисел для конденсаторов получается на том же этапе, что и тонкий окисел под затвором, а низкоомный полупроводниковый слой — на этапе легирования истока и стока.
Изолирующие карманы в МОП-технологии, как известно, отсутствуют. 7.11. Элементы ИС на полупроводниках группы Ап'В' Полупроводники группы А'пВУ как материалы для ИС. Сравнительный анализ свойств полупроводников группы Ап'В" и кремния позволяет выявить три основных различия при создании на их основе активных элементов ИС: 1. Сильно отличаются зависимости дрейфовой скорости электронов проводимости, особенно при низких полях. 2. Из полупроводников группы А1ИВ" легко изготовить полуизолирующую подложку. 3. Эти полупроводники (арсенид галлия, фосфид индия, арсенид индия и др.) образуют твердые растворы не только двух-, но и трех- и четырехкомпонентные с широким диапазоном изменения их электрофизических свойств.
На рис. 7.46 приведена зависимость дрейфовой скорости электронов проводимости от напряженности электрического поля для двух- и трехкомпонентных полупроводников АшВУ и кремния. Причиной того, что зависимость скорости дрейфа электронов проводимости от поля в СаАэ и 1пР имеет не монотонный„как у кремния, а экстремальный характер, кроется в Различии зонной структуры этих материалов. Зонная структура ОаАз приведена на рис.
7.47. Абсолютный минимум зоны проводимости ОаАэ находится в т Г. Во втором минимуме в т. Х энергия на 0,36 эВ выше. Эффективная масса электронов проводимости в т. Г мала (0,068т, где ле — масса покоя свободных электронов в вакууме) и поэтому дрейфовая подвижность электронов проводимости велика. Глава 7. Элементм ннтетраланащ ехем 272 ев Как видно из рис. 7.47, в т.
4О Х имеет место второй минимум энергии. Однако э здесь эффективная масса электронов значительно выше (1,2 яе), и дрейфовая скорость электронов прово- 4 димости уменьшается. 2 о,заев Этим объясняется участок с отрицательной дифференЗапрещенная 0 гав -4яэеВ циальнои проводимостью на рис.
7.46. Этот эффект в- получил название эффекта Ганна и используется для 4 вена генерации высокочастотных сигналов. В ИС на Рн' 7''~7' Зе""ан "рунттра Палл ОаАЭ ЭтОт ЭффЕКт НЕжЕЛателен и для его подавления необходимо выполнить условие АŠ— > 1. Ег (7. 10) Здесь ЛŠ— энергетический зазор между т. Г и т.
Х, а Ег— ширина запрещенной зоны в т. Г зоны проводимости. Элементы ИС на иолупроводннках группы АпеВУ. Элементы ИС на АнеВч можно грубо разделить на следующие группы: полевые транзисторы с затвором Шоттки, гетеробиполярные транзисторы и МДП-транзисторы. Несмотря на то, что технологию изготовления материалов АшВт и приборов на их основе по целому ряду причин нельзя считать столь же отработанной, как для кремниевых структур, исследования и разработки уже продемонстрировали возможности создания сверхбыстродействующих цифровых схем, конкурирующих с кремниевыми.
Можно предположить, что главную роль в конкурентной борьбе будут играть полевые транзисторы с затвором Шоттки, т.к. они просты в изготовлении и потребляют незначительную энергию. Структура и принцип работы полевого транзистора с затвором Шоттки (ЗШП-транзнстора).
Структура ОаАэ — ЗШП-транзистора изображена на рис. 7.48, а. 7ЛИ Элепеиты ИС па полупроеодииках группы А В' 273 40 ЗО 20 Обедненный со слой 2 ЗбпВ б) а) Рпс. 7АЗ. Структура (а) и статические ВАХ (С) ЭШП-транзистора На полуизолирующей пластине ОаАв с высоким удельным сопротивлением (порядка 10 Ом.см) формируют тонкий злектропроводный слой п-типа, который называют активным слоем. В активном слое расположены области истока, затвора и стока. Для получения хороших омических контактов на активном слое под электродами истока и стока располагаются пт-области. Электрод затвора образует с активным слоем контакт Шоттки (см. раздел 3.3). Активный слой обычно формируется ионной имплантацией, например кремния.
Толщина этого слоя 0,1-0,3 мкм, а концентрация примеси около 31047 см з. Чем короче длина затвора, тем выше быстродействие прибора, в настоящее время длина затвора составляет 0,2 — 1,0 мкм. Омические электроды изготавливают из сплава А)-бе-г)1, а электрод затвора — из А1 или силицида вольфрама.
Если к стоку приложить положительное напряжение, а к затвору отрицательное, обедненный слой под затвором расширится, а канал между истоком и стоком сузится и ток в цепи от истока к стоку изменится. Поскольку выходной сигнал стока можно регулировать малым входным сигналом затвора, такой прибор можно использовать как усилительный элемент. На Рис. 7.48, б приведены статические характеристики такого прибора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
