Рис. 8.4. Схематические структуры мыслимых КНИ МОПТ: (a) полностью обеденные, (б) транзистор с сильнолегированным дельта-слоем (pulsed doping) в кремниевой пленке, (в) с полевой обкладкой (field plate), (г) с заземленной основой (ground plane, GP), (д) динамический порог, (е) транзистор с двойным затвором
Для улучшения электростатики и повышения электростатической целостности прибора в структуру прибора можно внедрять сильнолегированные высокопроводящие слои. Они могут быть расположены непосредственно над скрытым окислом либо под ним
ииграть роль дополнительного управляющего затвора.
8.3.Частично обедненные КНИ МОПТ
Внастоящее время наиболее широко распространены КНИ транзисторы с частичным обеднением (ЧО КНИ МОПТ) (рис. 8.5).
Это означает, что толщина обедненного слоя xd < dS оказывается
меньше толщины кремниевой базы (тела). В этом смысле частично обедненный КНИ МОПТ очень похож на транзистор, изготовленный по объемной технологии, что обеспечивает преемственность и эволюционность технологии.
Главной особенностью, обуславливающей качественное отличие КНИ технологий, является изолированность кремниевой базы от
194
контакта подложки, характерная для большинства коммерческих ЧО КНИ технологий.
Рис. 8.5. Сечение частично обедненного КНИ МОПТ
Эта особенность обуславливает то, что потенциал внутренней подложки в КНИ ЧО МОПТ не фиксирован и является плавающим, что может приводить к многочисленным, часто нежелательным эффектам плавающей базы (floating body effects). Эти эффекты обусловлены зарядом, приходящим и уходящим из базы за счет различных, часто случайных и неконтролируемых механизмов, таких как ионизация пролетающей одиночной частицы, ударная ионизация в сильном электрическом поле вблизи стока, эффекты GIDL, туннелирование через тонкий подзатворный окисел.
База частично обедненного КНИ МОПТ емкостным образом связана со всеми выводами транзистора, что означает увеличение (уменьшение) потенциала базы при увеличении (уменьшении) потенциалов каждого из электродов. Чаще всего база оказывается в прямосмещенном относительно истока режиме, что обуславливает уменьшение эффективного порогового напряжения (рис. 8.6).
Текущее значение потенциала базы становится функцией предыдущего электрического состояния прибора. На схемном уровне это приводит к переходным эффектам различного рода и нежелательному разбросу времен распространения сигнала в цепях в зависимости от электрической предыстории конкретной цепи.
195
Рис. 8.6. Зависимость порогового напряжения n-МОПТ как функция смещения на подложку (базу) относительно истока
Эффекты предыстории зависят от многих параметров, таких как времена нарастания и спада входного сигнала, нагрузочной емкости, деталей конфигурации и т.п. Разброс времен задержки в одном транзисторе из-за эффектов электрической предыстории может составлять до 8 %.
Эффекты плавающего тела приводят также к нестационарным нестабильностям и гистерезисам выходных и передаточных ВАХ частично обедненных КНИ МОПТ. Для борьбы с нежелательными эффектами плавающей базы иногда используют дополнительный контакт базы, который, как правило, соединяет базу с контактом истока (body tie) и фиксирует ее потенциал. Такая процедура усложняет процесс изготовления и увеличивает эффективные геометрические размеры транзистора.
8.4. Кинк-эффект в частично обедненных КНИ МОПТ
Для определенности будем рассматривать n-канальный частично обедненный МОПТ с p-базой, на выход которого подается напряжение VDS . При достаточно большом напряжении VDS в силь-
ном электрическом поле в окрестности стока происходят процессы ударной ионизации и образования электронно-дырочных пар (см. п. 6.3). Электроны уходят в сток, а дырки выбрасываются
196
электрическим полем обедненной области в нейтральную область кремния, накапливаясь в изолированной подложке.
Избыточный заряд дырок (основных носителей) за очень малые времена диэлектрической релаксации τdiel достигает своего ста-
ционарного значения Qh(kink ) , распределяясь на площади базы и уменьшая толщину обедненного слоя xd и плотность заряда в нем:
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Q(kink ) |
|
||
V |
−ϕ |
MS |
=ϕ |
S |
+ |
|
|
qn |
S |
+ qN |
A |
x |
D |
− |
h |
|
. (8.5.1) |
C |
|
AC |
|||||||||||||||
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
Условие электрической нейтральности и фиксированность смещения на затворе приводят к тому, что инжекция дырок в подложку сопровождается увеличением заряда инверсионного слоя и порогового напряжения:
V (kink ) − |
Q(kink ) |
|
|
h |
. |
(8.5.2) |
|
|
|||
T |
ACO |
|
|
|
|
|
|
На выходной ВАХ транзистора |
образуется |
скачок тока (т.н. |
|
«кинк») (рис. 8.7).
Рис. 8.7. Кинк-эффект на выходных характеристиках ЧО КНИ МОПТ
Амплитуда этого скачка и потенциал изолированной базы определяются балансом процесса рекомбинации в теле и ударной ионизации. В цифровой технике кинк-эффекты могут приводит даже к некоторому увеличению быстродействия за счет повышения тока насыщения транзистора, хотя и вызывают разбросы времен задержки для разных элементов.
197