6.14. Моп пт с плавающим затвором

Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу работы похож на МНОП‑транзистор. Только в транзисторах с плавающим затвором инжектированный заряд хранится на плавающем затворе, находящемся между первым и вторым подзатворными диэлектрическими слоями. Схема, поясняющая устройство МОП ПТ с плавающим затвором, приведена на рисунке 6.18а, б, в.

В качестве материала для плавающего затвора используется поликристаллический кремний, легированный фосфором.

Рис. 6.18. Зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором:

а) напряжение на затвореV_GSравно нулю, плавающий затвор не заряжен;б) процесс записи информационного заряда импульсом напряжения +V_GS;в) МОП ПТ при нулевом напряжении на затворе в режиме хранения информационного заряда

На рисунке 6.18a приведена зонная диаграмма такого транзистора. Рисунок 6.18б поясняет механизм записи информационного заряда путем туннельной инжекции из полупроводника на плавающий затвор. На рисунке 6.18в приведена зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором после записи заряда и снятия напряжения с затвора. Возможно частичное растекание наполненного информационного заряда из-за туннелирования электронов с плавающего затвора обратно в полупроводник.

Рассмотрим основные соотношения, определяющие характер накопления инжектированного заряда на плавающем затворе полевого транзистора. Величина заряда Q_ox(τ) равна:

, (6.85)

где I(t) – величала инжекционного тока в момент времениt.

Как видно из зонной диаграммы на рисунке 6.18, инжекция носителей из полупроводника через первый слой окисла на плавающий затвор осуществляется путем прямого туннелирования через трапецеидальный барьер. Величина туннельного тока I(t) описывается соотношением:

. (6.86)

Уравнение (6.86) напоминает выражение для туннельного тока Фаулера – Нордгейма из твердого тела в вакуум через треугольный барьер. Постоянные величины АиВ, входящие в (6.86), зависят от типа полупроводника и высоты потенциальных барьеров на границе.

Накапливаемый на плавающем затворе инжектированный заряд Q(τ) будет вызывать уменьшение напряженности электрического поляЕ_оxв первом диэлектрике. Величина электрического поляЕ_ох, обуславливающая туннелирование, равна:

. (6.87)

Первое слагаемое в соотношении (6.87) дает значение электрического поля Е_охза счет приложенного напряжения к затворуV_G, второе слагаемое – за счет накопления инжекционного заряда. В случае, если в качестве второго диэлектрика в МОП ПТ с плавающим затвором используется двуокись кремния, в (6.87) величины диэлектрических постоянных необходимо выбрать одинаковыми.

Из уравнений (6.85 – 6.87) следует, что при малых временах τнаполненный зарядQ(τ) мал и линейно возрастает со временемτ, поскольку поле в окислеЕ_охи туннельный токI(t) постоянны. При больших временах наступает насыщение наполнения инжектированного зарядаQ(τ). Соотношения (6.85 – 6.87) позволяют на основе расчета выбрать наиболее оптимальные режимы записи и стирания информационного заряда.

6.15. Приборы с зарядовой связью

Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рисунке 6.19 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП‑структур. Величина зазора между соседними МДП‑структурами невелика и составляет 1‑2 мкм. ПЗС‑элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому.

Рис. 6.19. Устройство и принцип работы приборов с зарядовой связью

Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения V_G1на затвор 1‑го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полупроводникер‑типа это соответствует формированию под затвором 1‑го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времениtпорядка времени генерационно-рекомбинационных процессовτ_ген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС‑элементах должны проходить за времена меньшеτ_ген. Пусть в момент времениt₁>>τ_генв ОПЗ под затвор 1‑го элемента инжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов (рис. 6.19б). Теперь в момент времениt₂>t₁, ноt₂<<τ_генна затвор 2‑го ПЗС‑элемента подадим напряжениеV_G2 > V_G1, способствующее формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2‑го элемента. Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1‑м элементом в ОПЗ под вторым элементом, как показано на рисунке 6.19в. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2‑го ПЗС‑элемента, напряжение на затвореV_G1 снимается, а на затвореV_G2уменьшается до значения, равногоV_G1(см. рис. 6.19г). Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС‑элемента. Для того, чтобы приборы с зарядовой связью эффективно функционировали, необходимо, чтобы время передачиt_перот одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (t_пер<< τ_ген). Не должно быть потерь информационного заряда в ОПЗ вследствие захвата на поверхностные состояния, в связи с чем требуются МДП‑структуры с низкой плотностью поверхностных состояний (N_ss≈ 10¹⁰см^-2·эВ^-1) [21, 13, 11, 26].