1.3.4. Ограничения на уменьшение размеров традиционных мдп элементов ис.

Рассмотрим традиционный кремниевый МДП транзистор с изоляцией облстей стока и истока с помощью обратно смещённых p-n переходов.

Обедненный слой – изоляция областей И и С от подложки. Длини канала должна быть больше толщины обеднённых изолирующих слоёв l_к > 2W  (иначе происходит смыкание слоев)

W  0.5 мкм при меньшей толщине обедненного слоя возможен электрический пробой , т.к. к слою приложено все напряжение питания.

Е_пробоя  10⁸ В/м

U_пробоя =E_пр W = 10⁸ 510⁷ = 50 B

Нужно иметь некоторый запас прочности.

Вывод: в традиционной схеме МДПТ l_к > 1-1.5 мкм.

Длина канала традиционного МДПТ не может быть меньше 1 мкм, т.к. при меньшей длине канала смыкаются обедненные слои, которые обеспечивают изоляцию областей стока и истока от основной массы кремния. Смыкание обедненных слоев нарушает условие, при которых был проведен расчет транзистора, т.е. условие обеспечивающее инверсию типа проводимости в области канала.

Стремление уменьшить длину канала приводит к поиску другого способа организации структуры транзистора. Рассмотрим два пути :

1.      Транзистор с барьером Шотки на GaAs

2.      Транзистор со сверхкоротким каналом.

 

 

 

 

1.3.5. Полевые транзисторы с барьером Шотки

 

Основой транзистора служит арсенид галлия. Этот материал обладает более высокой по сравнению с кремнием подвижностью носителей заряда, а также сравнительно легко получается в виде, при котором донорные и акцепторные примеси компенсируют друг друга и такой скомпенсированный материал обладает очень низкой проводимостью. Его называют полуизолирующим GaAs или в английской аббревиатуре SIGaAs (semi-isolating GaAs).

 

Основой служит n-GaAs в виде эпитаксиального слоя высокого качества в смысле кристаллической структуры.

П ри U_з < U_порог обедненный слой под БШ перекрывает канал и транзистор запирается.

 

 

 

 

 

 

 

Характеристика n-канального ТБШ повторяет характеристику вакуумного триода. I_затв при U_з > 0 аналогичен току сетки при положительном потенциале на ней. Толщина эпитаксиального слоя h и длина канала могут быть меньше 1мкм. Все определяется только технологией изготовления.

Транзистор с описанной схемой  не нашел широкого применения, так как использование GaAs открывает более существенные возможности при использовании гетероперехода между двумя элементами А^III B^V c разной шириной запрещенной зоны, о чем речь пойдет в следующих темах.

Заметим только, что ТБШ может быть осуществлен как с n-каналом, так и p-каналом, то есть на основе ТБШ могут быть реализованы комплиментарные пары, что принципиально важно при построении элементной базы микромощной электроники.

 

 

1.4.Сверхмалогабаритные полевые транзисторы.

Рассмотрим несколько примеров реализации полевых транзисторов, имеющих весьма малые конструктивные размеры.

 

1.4.1. Кремниевый транзистор на изолирующей основе.

Источник информации: Proc. of IEEE v.83, №4, pp.495-700 (April 1995). Принятые сокращения: «КНИ МДП» (кремний на изоляторе) и по-английски: “SOI MOSFET” (Silicium on isolator).

Слой Si толщиной 1000А^о выращен на подслое SiO₂ . Этим обеспечена совершенная изоляция транзистора. Однако слой кремния не монокристал­лический, поэтому резко падает подвижность, но используется короткий канал:  l_к  0.5 мкм.

Размеры на рисунке приведены в ангстремах (А^о). Длина канала

l_к = 0.5 мкм, ширина канала W = 5 –10 мкм

На следующем рисунке приведено пороговое напряжение КНИ МДП в функции от длины канала и толщины изолирующего слоя (в А^о).

 

Рабочие характеристики транзистора

 

 

 

 

 

 

 

	VG

 

 

 

В таком транзисторе длина канала l_к  оказывается существенно меньше длины обедненного слоя в подзатворном p – кремнии. Поэтому энергетическая диаграмма в подзатворной части полупроводника приобретает специфический характер. В ней не реализуется тонкий p – тип проводимости.

 

Ниже на рисунке приведена энергетическая диаграмма короткого канала в структуре n+ - p - n+.

 

Изменение энергетической диаграммы при приложении к затвору положительного потенциала.

 

 

 

 

Оценка быстродействия КНИ МДП.

Слой Si на SiO₂ имеет много дефектов. Кроме того, сказывается рассеяние электронов на поверхности проводящего слоя. Поэтому в КНИ МДП подвижность низка :

 

  510^-3 м²/Вс    (50 см²/ Вс)    - в 30 раз ниже, чем в хорошем Si

Однако приемлемое быстродействие обеспечивается короткой длиной канала.

 

_{пролета­} (l_к²/ lU) = (510^-7)²/(510^-31) = 510^-11 с

Экспериментально получена критическая частота транзистора  f_c = 8 ГГц

1/ f_c = _{пролета} = 1.210^-10 с.