САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Санкт-Петербург

2013 год

Физические основы наноэлектроники Доклад по теме: «Концепция спейсер-слоев»

Выполнил студент группы 5095/11

Клинков Виктор

Транзисторные функции моп-транзисторов

МОП-транзистором называется устройство, созданное на ос­нове конструкции металл–окисел–полупроводник. Иногда вме­сто окисла используется диэлектрик не являющийся оксидом (на­при­мер, Si₃N₄), поэтому правильнее называть данное устройство МДП-транзистором (металл–диэлектрик–полупроводник).

На рис. 1 приведена схема конструкции типичного МОП-транзистора. Выходной ток приведенного на рисунке прибора об­разуют электроны, поэтому его еще называют n-канальным, а конструкция транзистора представляет собой контакты полупро­водниковых областей разной проводимости типа n-p-n. Цепь про­текания электрического тока образуют элек­трод, на который по­дается напряжение V_S, далее n⁺-область ис­тока, поток участок подложки p-типа между n⁺-областями истока и стока непосредст­венно под подзатворным окислом SiO₂, далее n⁺-область стока и, наконец, электрод, на который подано на­пряжение V_D.

Величина тока, протекающего в транзисторе, во многом оп­ределяется напряжением, подаваемым на электрод затвора — на­пряжением V_G. Появление этого напряжения на затворе будет способствовать образованию подвижных носителей в подложке у по­верхности раздела кремний-оксид кремния (Si/SiO₂) по принципу конденсатора, так как конструктивно затвор с одной стороны под­затворного окисла, а подложка с другой стороны этого окисла формально и являются обкладками конденсатора, а любое напря­жение, подаваемое на любую обкладку конденсатора, вызывает их зарядку согласно известному выражению электростатики . Величина емкости подзатворного окисла МОП-транзи­стора совпадает с емкостью плоского конденсатора и может быть рассчитана с помощью формулы

, где – диэлек­трическая проницаемость оксида кремния, – диэлектриче­ская постоянная, – ширина поверхности подзатвор­ного окисла и – толщина подзатворного окисла.

При этом, как известно, положительное напряжение на одной из обкладок конденсатора вызовет формирование на этой же обкладке поло­жительного заряда, а на противоположной — отрицательного. Со­ответственно положительное V_G на затворе представленного на рис. 1 МОП-транзистора на поверхности раздела Si/SiO₂ между областями истока и стока вызовет появление отрицательного за­ряда, т.е. появление электронов (заряда n-типа). Поэтому МОП-транзистор с конструкцией областей n-p-n и получил название n-канального, так как ток в нем переносят электроны, которые воз­никают в подложке между истоком и стоком благодаря подаче на затвор положительного напряжения.

Рис. 1. Типичная конструкция МОП-транзистора

Также создаются МОП-транзисторы, у которых выходной ток образуют дырки. Такие приборы называют p-канальными, и они имеют конструкцию типа p-n-p. Очевидно, что в подложке между истоком и стоком появление дырок обеспечивается подачей на затвор отрицательного напряжения.

В МОП-транзисторе выделяют следующие конструктивно-технологические параметры:

• размеры области истока с электро­дом истока, на который подают напряжение истока V_S;

• размеры затвора с электродом затвора, на который подают напряжение за­твора V_G;

• размеры области стока с электродом стока, на который подают напряжение стока V_D;

• длина канала L_ch, которую при ми­ниатюризации МОП-транзисторов стремятся уменьшать;

• уровень легирования областей истока и стока n⁺ – значение концентрации донорной примеси в них обычно изменяется в диапазоне 10²⁵÷10²⁶ м^–3;

• глубина залегания этих областей d_j, которая обычно связана с длиной канала (порядка L_ch/4) и изменяется в диапазоне 0,05÷0,3 мкм;

• толщина подзатворного окисла d_ox, равная в МОП-транзи­сторах, используемых в современных микросхемах, 3÷8нм;

• тол­щина подложки d_ch, обычно произвольного размера, превышаю­щего величину L_ch;

• уровень легирования подложки акцепторной примесью N_A, которая изменяется в широких пределах в зависи­мости от длины канала, увеличиваясь с ее уменьшением, и обычно имеет значения 10²²÷10²⁴ м^–3.

Величины данных парамет­ров в конкретном приборе прямо зависят от технологического процесса его создания, который состоит из множества этапов — окисления, диффузии, имплантации, отжига, нанесения металли­зации, нанесения изоляции и ряда других операций — потому эти параметры и получили название конструктивно-технологических.

МОП-транзистор имеет стандартные для всех транзисто­ров входную и выходную характеристики. В связи с тем, что в МОП-транзисторе течет только один ток — он же выходной и он же ток стока — входная характеристика МОП-транзистора опре­деляется как зависимость тока стока от входного напряжения (на­пряжения затвора) при постоянном выходном напряжении (на­пряжении стока), а выходная характеристика — как зависимость тока стока от напряжения стока при постоянном напряжении за­твора.

К затвору прикладывается напряжение V_G, которое падает частично на окисле (эта часть равна V_ox), а частью на кремнии (эта часть равна φ_s+φ_b ).

Согласно закону Гаусса для границы раздела двух сред Si/SiO₂ можно записать

где левая часть фактически и есть доля затворного напряжения, падающая на окисле, а правая – на приповерхностной области кремния p-типа.

В этом выражении – напряжение на затворе, – падение напряжения в кремнии (искривление зон), – потенциал плоских зон, который для n-канального МОП-транзистора всегда положителен и изменяется от 0,8 до 1,1 В, и – диэлектрическая постоянная окисла и его толщина, N_s и – поверхностные концентрации электронов и акцепторного заряда обедненной области. Величины этих концентраций с незначительной погрешностью можно рассчитать с помощью известных соотношений

где – объемная концентрация электронов у поверхности раздела окисел/кремний,

n_i – собственная концентрация носителей заряда в кремнии при данной температуре (порядка 10¹⁹ м^–3), N_A – объемная концентрация акцепторной примеси, – диэлектрическая постоянная кремния, – толщина инверсионного слоя, которая практически для всех случаев равна приблизительно 10 нм.

Таким образом, положительное затворное напряжение вызовет определенное падение напряжения в кремнии под затвором, которое равно по величине искривлению энергетических зон у границы раздела Si/SiO₂. В случае, когда станет больше согласно первой формуле сформируется так называемый инверсионный канал толщиной с поверхностной концентрацией электронов N_s, удовлетворяющей соотношениям второй и третьей формул. Величина тока от истока к стоку определяется только значением , величина же является паразитной и ненужной — ее формирование ухудшает характеристики транзистора и является фактически причиной существования порогового напряжения. Пока не сформируется определенное значение — инверсные электроны не возникают.