4.1. Структура мдп транзистора

МДП транзистор состоит из истока, стока, затвора и подзатворного диэлектрика. Исток и сток - сильно легированные области противоположного подложке типа проводимости. Затвор - проводящая площадка, лежащая над областью инверсионного канала. Подзатворный диэлектрик - диэлектрический слой, отделяющий электрод затвора от области инверсионного канала. Области истока и стока для того, чтобы оказывать малое сопротивление току стока, обычно сильно легируют и обозначают значком n+ для n канальных транзисторов или значком p+ для p канальных транзисторов. На схемах исток МДП-транзистора обычно обозначают латинскими буквами S, сток - D, затвор - G и подложку буквами SB, первыми буквами от их английских наименований (Source, Drain, Gate, Substrate). Основная структура полевого транзистора металл-окисел-полупроводник (МОП-транзистора) показана на рис.4.1 на примере n-канального транзистора.

Этот четырехполюсный прибор состоит из полупроводниковой подложки p-типа, в которой сформированы (например, с помощью ионной имплантации) две высоколегированные области - сток и исток. Металлический электрод, отделенный от подложки слоем окисла, называется затвором. В последнее время в качестве затвора используются высоколегированный поликремний, а также некоторые комбинации поликремния и силицидов.

Рис. 4.1. Структура полевого транзистора с изолированным затвором (МДП-транзистора)

Основными геометрическими параметрами структуры являются: - длина канала L - расстояние между металлургическими границами n+ -p-переходов стока и истока; - ширина канала Z; толщина слоя изолятора d; глубина переходов r_j: уровень легирования подложки N_A.. В кремниевых интегральных схемах отдельный MOП-транзистор окружен в целях изоляции областью с толстым слоем окисла, который называется пассивирующим или полевым (в отличие от тонкого слоя подзатворного окисла).

Рассматривая работу прибора, мы будем все напряжения отсчитывать от потенциала истока, т. е. считать его заземленным. Когда напряжение на затворе отсутствует, электрическая цепь исток - сток представляет собой два n+ - р-перехода, включенных навстречу друг другу. При этом в ней может протекать очень малый ток, равный току утечки обратно-смещенного перехода. Если же к затвору приложено достаточно большое положительное напряжение, у границы с диэлектриком образуется инверсионный слой или канал, соединяющий n+ -области стока и истока. Затворное напряжение, которое необходимо для индуцирования проводящего канала у поверхности полупроводника называется пороговым. Проводимость этого инверсионного канала модулируется при изменении напряжения на затворе. Тыловой контакт к подложке может находиться либо под тем же опорным потенциалом, что и исток, либо под напряжением, соответствующим обратному смещению n+ - p-перехода исток-подложка. Напряжение обратного смещения подложки также влияет на проводимость инверсионного канала.

Отметим, что для нормально закрытого прибора, чтобы получить заметный ток стока, нужно приложить к затвору достаточно большое смещение ("+"для n-канального, "-"для p-канального), превышающее пороговое напряжение. В нормально открытых приборах значительные токи могут протекать уже при V_G=0, а смещение затвора увеличивает или уменьшает их величину. В таблице 4.1. приведены символьные обозначения, передаточные характеристики четырех основных типов МОП-транзисторов.

Напряжение затвора, при котором через канал начинает протекать ток стока, называется пороговым напряжением. Пороговое напряжение U_T имеет две составляющие:

, (4.1.)

где U_спр-напряжение спрямления энергетических зон; U_изг-напряжение изгиба энергетических зон. Первая из этих составляющих компенсирует начальный изгиб зон на границе раздела между полупроводником и диэлектриком, вторая - обеспечивает изгиб зон для создания инверсионного проводящего канала. Напряжение спрямления энергетических зон (называемое также напряжением плоских зон) зависит от заряда поверхностных состояний, встроенного и подвижного заряда в окисле, контактного потенциала затвор-кремний. Из-за загрязнения подзатворного окисла положительными ионами и присутствия донорных поверхностных состояний на границе раздела окисел-кремний пороговое напряжение n-канальных МОП-транзисторов зачастую оказывается очень малым (< 1 В). В некоторых случаях пороговое напряжение - n -МОП транзистора может иметь даже небольшую отрицательную величину, что свидетельствует о существовании инверсионного n -слоя даже в отсутствие напряжения на затворе. В р-канальных МОП-приборах те же эффекты приводят к тому, что пороговое напряжение оказывается довольно большим (~ -5 В). При помощи ионной имплантации можно регулировать пороговое напряжение, вводя очень малую дозу ионов низкой энергии (10¹¹-10¹² см^-2, 30 кэВ) через подзатворный диэлектрик в область канала и изменяя при этом концентрацию примеси у поверхности кремния.

Таблица 4.1.