3 Элементы и кристаллы имс на полевых структурах
3.1 Проектирование полевых структур
3.1.1 Введение
Искривление энергетических зон в полупроводниковых материалах на границе раздела с металлами может быть настолько существенным, что их поверхностный слой может обрести запирающие свойства, как это имело место в контактных переходах Шоттки, или даже изменить тип проводимости на противоположный в сравнении с глубинными слоями. Между инверсионным слоем и полупроводниковой пластиной образуется изолирующая обедненная свободными носителями заряда область (p-n-переход). Инверсия типа проводимости поверхностного слоя слаболегированной полупроводниковой пластины положена в основу конструкций полевых приборов. В конструкциях этих приборов предусматриваются два выводных электрода от инверсионного поверхностного слоя, который выполняет функцию проводящего канала. Один из электродов принято называть истоком (И), другой — стоком (С). Для управления проводимостью инверсионного слоя над ним через разделительный диэлектрический слой размещается проводящий электрод, названный затвором (З), на который относительно инверсионного слоя (или относительно несущей полупроводниковой пластины) подается управляющее напряжение. Трехэлектродный электронный прибор с управляемой проводимостью инверсионного слоя назван полевым транзистором со структурой «металл — диэлектрик — полупроводник» (МДП-транзистор). Реализация такого прибора стала возможной к началу 60-х годов 20-го века в результате технологических достижений по воспроизводимости и стабилизации поверхностных состояний полупроводников и диэлектриков. С конца 20-го века МДП-приборы, благодаря совокупности весьма позитивных функциональных, конструктивных, технологических показателей, являются основными приборами электронных устройств высокой степени интеграции.
3.1.2 Структуры и классификация мдп-транзисторов
Таким образом, принцип действия МДП-транзистора основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного слоя полупроводникового материала, расположенного между истоком и стоком, внешним поперечным электрическим полем в пространстве между проводящим затвором и полупроводниковым материалом (подложкой). Тип проводимости канала совпадает с типом проводимости областей истока и стока, но противоположен типу проводимости подложки. Сток, исток и канал образуют с подложкой р-n-переход.
По типу проводимости канала различают п-канальные (см. рис. 3.1 а, в) и р-канальные (см. рис. 3.1, б, г) МДП-транзис-торы.
По конструктивно-технологическому исполнению канала МДП-транзисторы подразделяются на транзисторы со встроенным (см. рис. 3.1, а, б) и с индуцированным каналами (см. рис. 3.1 в, г). Встроенный канал создается на этапе производства транзистора. Индуцированный канал образуется благодаря внешнему напряжению, подключаемому на затвор относительно истока, стока, подложки.
а б в г
Рисунок 3.1
Создавая электрическое поле в структуре металл — диэлектрик — полупроводник, можно управлять электропроводностью канала и соответственно током, протекающим между истоком и стоком. Электропроводность встроенного канала (рис. 3.1, а, б) в зависимости от величины и полярности напряжения на затворе может уменьшаться или повышаться, соответствуя обеднению или обогащению канала основными носителями заряда.
В МДП-транзисторе с индуцированным каналом (рис. 3.1, в, г) при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует. При подключении к областям исток — сток питания ток носителей от истока к стоку будет ничтожно мал и транзистор будет закрыт. Структура затвор — диэлектрик — полупроводник подобна конденсаторной структуре, свойства полупроводниковой обкладки которой зависят от приложенного напряжения. Под действием внешнего напряжения на затворе в тонком приповерхностном слое проводника создается электрическое поле с напряженностью, пропорциональной напряжению на затворе и обратно пропорциональной толщине диэлектрика. Под действием этого поля, в зависимости от полярности приложенного напряжения, вследствие относительно низкой концентрации свободных носителей заряда, неосновные носители заряда подложки будут подтягиваться к границе раздела полупроводника с диэлектриком, а основные — оттесняться в глубину подложки. Тем самым изменяется концентрация неосновных для подложки носителей в тонком приповерхностном слое (4…5 нм) полупроводника между областями исток — сток. По мере повышения модуля внешнего напряжения на затворе относительно подложки (или истока) вначале образуется слой, обедненный основными носителями, а затем, по мере роста напряжения на затворе, происходит образование инверсионного по типу проводимости относительно подложки слоя. При некотором напряжении на затворе, именуемом пороговым (Uo), между истоком и стоком образуется проводящая область (индуцированный канал) с относительно невысоким сопротивлением. В транзисторах с индуцированным каналом реализуется режим обогащения канала.
Для формирования индуцированного n-канала (р-подложка) необходимо подавать на затвор положительное напряжение, а для р-канала (n-подложка) — отрицательное.
Так как входной управляющий ток (в цепи затвора) ничтожно мал по сравнению с током в цепи исток — сток, МДП-транзистор является эффективным усилительным прибором, позволяющим незначительной мощностью сигнала модуляции электропроводности канала регулировать существенно более высокую мощность в цепи канала.
Электрическое сопротивление канала зависит от его длины Lк и ширины Bк, концентрации N, подвижности μ носителей и толщины hк канала в соответствии с известным выражением
Rк = (1/q×N×hк×μ)×(Lк/Bк), (3.1)
в котором произведение N×hк модулируется напряжением на затворе. Эффективность модуляции проводимости канала количественно определяется долей напряжения, приложенного к поверхностному слою полупроводника, из общего напряжения, приложенного к затвору. Эта доля обратно пропорциональна толщине диэлектрика hд и прямо пропорциональна, диэлектрической проницаемости диэлектрика εд.
Исток и сток МДП-транзистора (при симметричных формах электродов) обратимы, и в схемных включениях их можно менять местами.
В полевых структурах недопустимо образование не планируемых индуцированных или встроенных каналов. Однако в процессе формировании пленки окисла SiO2 на границе ее раздела с кремнием образуется положительный электрический заряд в окисле. Этот заряд получил название встроенного и образуется независимо от типа проводимости подложки. Расположение такого заряда над полупроводником р-типа проводимости приводит к увеличению в его приповерхностном слое числа электронов и уменьшению концентрации дырок. При значительной величине встроенного заряда и малой концентрации акцепторной примеси в полупроводнике это приводит к самопроизвольному образованию вблизи границы окисел — полупроводник n-канала, индуцированного встроенным зарядом. Это явление долгое время препятствовало созданию эффективной технологии производства микросхем на n-канальных МДП-транзисторах. В р-канальных структурах встроенный заряд окисла вызывает обогащение поверхности полупроводника электронами и повышает отрицательное напряжение на затворе, необходимое для формирования канала р-типа. Вследствие этого первые МДП-микросхемы были созданы на р-канальных транзисторах c повышенным напряжением формирования индуцированного канала (несмотря на их сравнительно небольшое быстродействие, вследствие низкой, в 2–3 раза меньше подвижности электронов, подвижности дырок в кремнии).
Иными признаками классификации МДП-транзисторов являются:
материал затвора (алюминий, молибден, поликремний);
материал диэлектрика затвора (однородный, многослойный);
число затворов (один, более одного);
по функциональному назначению в схемном применении (активные переключающие и нагрузочные).
Нагрузочные МДП-транзисторы используют в составе микросхем в качестве резисторов. Необходимое значение сопротивления канала этих транзисторов создается конструктивно (выбором геометрических размеров канала) и схемотехнически (подачей на его затвор потенциала определенной величины).
По сочетанию МДП-транзисторов с подобными себе и другими элементами на кристаллах микросхем классифицируются конструкции и технологии кристаллов:
одноканальные структуры (n- или р-канальная технологии);
комплементарные (взаимодополняющие) структуры (КМДП-технология), сформированные в одном кристалле, р- и n- канальные МДП-транзисторы;
МДП и биполярные структуры (БИМДП-технология);
МДП с зарядовой связью между приборами (ПЗС-технологии).