2.2.Принцип работы и основные параметры мдп-транзисторов

По принципу работы МДП-транзисторы относятся к классу так называемых униполярных приборов, функционирование которых основано на процессах перемещения только основных носителей заряда.

МДП-транзистору присуща явно выраженная управляющая цепь с источником напряжения, отделенная от управляемой цепи, через которую проходит рабочий ток. Для управляющей цепи характерно чрезвычайно малое потребление тока, так как в нее входит участок диэлектрика с высоким удельным сопротивлением. Направление электрического поля, создаваемого управляющим напряжением, перпендикулярно направлению тока.

МДП-транзисторы имеют ряд важных преимуществ по сравнению с биполярными. Отличительным свойством МДП-транзисторов является малый уровень шумов и высокая температурная стабильность параметров, что непосредственно определяется физической природой тока в таких приборах, который переносится основными носителями.

МДП-транзистор легко вводится в конструкцию ИМС в качестве элемента некоторых сложных конфигураций, так как токи в нем проходят преимущественно вдоль поверхности исходного кристалла, а не перпендикулярно ей, как в биполярном транзисторе. По структуре и принципу действия МДП-транзистор значительно надежнее защищен от перегрузок по току, которые могут приводить к выходу прибора из строя. Структура МДП-транзистора является симметричной, т.е. вход и выход можно поменять местами, характеристики прибора при этом останутся неизменными. Выходное сопротивление МДП-транзистора обычно очень велико, и, как правило, составляет несколько мегаом. В этом отношении такой транзистор подобен электронной лампе. Поскольку управление МДП-транзистором осуществляется путем изменения внешнего напряжения, для него легко обеспечить так называемое автоматическое смещение, что позволяет строить более простые схемы по сравнению с аналогичными схемами на биполярных транзисторах. Характер нелинейности у МДП-транзисторов дает возможность использовать их в схемах автоматического регулирования усиления.

Один из основных недостатков МДП-транзистора – относительно малое произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания. Кроме того, для этого транзистора характерны большие паразитные емкости, что также приводит к уменьшению произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания. Однако разработанные к настоящему времени многочисленные варианты конструкций МДП-транзисторов позволяют получать достаточно хорошие рабочие характеристики приборов.

Классическая структура МДП-транзистора представляет собой униполярный прибор, в котором металлический затвор изолирован от полупроводника тонким слоем диэлектрика. МДП-транзисторы могут быть классифицированы по способу создания проводящего канала. В большинстве приборов используется проводящий инверсный слой вблизи границы диэлектрик – полупроводник. Принцип работы такого транзистора, в котором в качестве диэлектрика используется тонкий слой SiO₂ (МОП-транзистор), иллюстрируется рис. 3.2.1. Для простоты удобно предположить, что затвор отделен от полупроводника идеальным изолятором, а влияние поверхностных ловушек считать ничтожно малым. Распределение зарядов при нулевых напряжениях на электродах показано на рис. 3.2.1, а. Вблизи n-областей, созданных диффузией для образования истока и стока, имеются области объемного заряда, возникающие за счет разности работ выхода электронов из полупроводников с различными типами электропроводности. Поскольку в р-области электроны практически отсутствуют, сопротивление между истоком и стоком велико и соответствует сопротивлению двух встречно включенных диодов при нулевом смещении.

Если к затвору приложено положительное напряжение (рис. 3.2.1, б), то вблизи поверхности происходит инверсия типа электропроводности полупроводника, так что концентрация электронов в этой области становится достаточно высокой и сопротивление между истоком и стоком резко уменьшается.

С приложением положительного напряжения к стоку (рис.3.2.1, в) электроны начинают перемещаться от истока к стоку по инверсному слою. За счет падения напряжения вдоль канала нормальная составляющая поля затвора и соответственно концентрация электронов уменьшаются в направлении от истока к стоку. Толщина обедненной области под инверсным слоем в этом направлении увеличивается вследствие возрастания разности потенциалов между подложкой и каналом.

Когда напряжение на стоке превысит некоторое значение (рис. 3.2.1, г), происходит перекрытие канала вблизи стока и ток через прибор достигает насыщения. При этом эффекты уменьшения длины канала и электростатической обратной связи приводят к тому, что дифференциальное сопротивление стока практически остается конечным.

Рисунок 3.2.16 Структура канала МДП-транзистора при различных смещениях затвора и стока: а – в условиях термодинамического равновесия; б – при смещении затвора и нулевом напряжении на стоке; в – при смещении затвора и небольшом напряжении на стоке; г – при смещении затвора и большом напряжении на стоке

В МОП-транзисторах существенную роль играет положительный заряд, присутствующий в оксиде. Действие этого заряда эквивалентно наличию положительного напряжения на затворе, так что в случае полупроводника р-типа инверсный слой существует уже при нулевом управляющем напряжении. Для полупроводника n-типа присутствие положительного объемного заряда в оксиде вызывает образование слоя с повышенной концентрацией электронов. Поэтому для создания инверсного слой напряжение на затворе должно превышать значение, достаточное для нейтрализации этого заряда. Таким образом, проводимость канала МОП-транзистора на подложке р-типа (n-канал) можно увеличивать или уменьшать в зависимости от полярности напряжения на затворе. В случае подложки n-типа при U₃=0 канал отсутствует и для его создания необходимо приложить напряжение U₃<0, т.е. такие приборы могут работать только в режиме обогащения канала неосновными носителями заряда (дырками). МОП-транзисторы с n-каналом принято называть транзисторами с обеднением, несмотря на то, что они могут работать также в режиме обогащения канала неосновными носителями заряда (электронами).

Инверсный канал, возникающий при нулевом напряжении на затворе у транзисторов, формируемых на подложке р-типа, называется встроенным, т.е. возникающим самопроизвольно. Для МОП-транзисторов со встроенным каналом вместо порогового напряжения вводят понятие напряжения отсечки, т.е. напряжения, при котором электроны равновесного инверсного слоя отталкиваются от поверхности, что приводит к исчезновению встроенного канала. Возникновение встроенного канала не исключает возможности практического использования МОП-транзистора. Такие транзисторы способны работать при обеих полярностях напряжения на затворе. Однако наибольшее распространение имеют МОП-транзисторы с индуцированным каналом, хотя они могут работать только при одной полярности напряжения на затворе.

Рассмотрим некоторые наиболее важные параметры МОП-транзисторов. Будем предполагать, что эти приборы имеют индуцированный канал n-типа. Важнейшими параметрами МОП-транзистора являются пороговое напряжение, удельная крутизна, крутизна, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.

Допустим, что исходная подложка, на которой формируется МОП-транзистор, легирована относительно слабо. Напряжение, прикладываемое к затвору, будет наводить в полупроводнике тем больший удельный заряд, чем больше удельная емкость между металлом затвора и полупроводником. Таким образом, управляющая способность затвора непосредственно определяется удельной емкостью между затвором и каналом:

, (3.2.26)

где  – относительная диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика; d – толщина диэлектрика.

Как видно из соотношения (3.2.1), емкость С_о можно увеличить путем уменьшения толщины диэлектрика d, однако это сопровождается уменьшением напряжения пробоя диэлектрика. При использовании в качестве диэлектрика SiO₂ толщина диэлектрического слоя изменяется обычно в пределах 0,05–0,1 мкм. Удельная емкость затвор-канал представляет собой одну из величин, определяющих пороговое напряжение. В самом общем случае пороговым напряжением называют напряжение на затворе, при котором ток стока уменьшается до нуля. Это напряжение включает в себя две составляющие и записывается в виде

U_пор=U_спр+U_изг, (3.2.27)

где U_спр – напряжение спрямления энергетических зон;

U_изг – напряжение изгиба энергетических зон.

Первая из этих составляющих U_спр сводит к нулю равновесный поверхностный потенциал, т.е. компенсирует начальное искривление зон на границе раздела между диэлектриком и полупроводником. Вторая составляющая U_изг обеспечивает изгиб энергетических зон в сторону, необходимую для образования канала.

Ток, протекающий через канал МОП-транзистора, оказывает существенное влияние на структуру канала. Если напряжение U_си=0, то, как видно из рис. 3.2.1, а, поверхность полупроводника является эквипотенциальной и, следовательно, поле в диэлектрике однородно, а толщина образовавшегося канала одинакова на всем протяжении. При U_си>0 через канал проходит ток и потенциал поверхности возрастает в направлении от истока к стоку. Отсюда следует, что разность потенциалов между затвором и поверхностью уменьшается по мере удаления от истока к стоку. Одновременно с этим происходит уменьшение напряженности электрического поля в диэлектрике и удельного заряда электронов в канале (рис. 3.2.1, а). Все это приводит к тому, что сечение канала вблизи области истока сужается. При некотором критическом напряжении на стоке, называемом напряжением насыщения, разность потенциалов между затвором и поверхностью на границе области стока становится равной нулю. В то же время в этой точке обращается в нуль напряженность электрического поля в диэлектрике и удельный заряд носителей в канале. Образуется так называемая горловина канала.

Напряжение насыщения

(3.2.28)

Если , то слой объёмного заряда, который до сих пор отделялся от поверхности канала, теперь выходит на поверхность на участке , а горловина канала сдвигается в точку . В результате происходит уменьшение длины канала на , потенциал горловины в точке сохраняет значение . которое было в начале насыщения.

Величина определяется разностью напряжений на участке укорочения канала, причём аналитически эта зависимость выражается как

, (3.2.29)

где n изменяется в пределах от двух до трёх в зависимости от характера распределения концентрации примесных атомов вблизи границы раздела между подложкой и боковой стенкой области стока.

После образования горловины канала ток в рабочей цепи практически перестает зависеть от напряжения на стоке, т.е. наступает насыщение тока.

В некоторых случаях вводят понятие номинального тока МДП-транзистора, под которым понимают ток стока, проходящий через канал транзистора при U_зи=2U_п; следовательно, номинальный ток

, (3.2.30)

где b – удельная крутизна в. а. х.

, (3.2.31)

 – приповерхностная подвижность носителей заряда;

 – ширина канала;

 – длина канала;

 – диэлектрическая проницаемость полупроводника;

 – удельная ёмкость между затвором и каналом.

Отсюда видно, что меньшему пороговому напряжению соответствует и меньший рабочий ток. Номинальному режиму работы МДП-транзистора, т.е. условию U_зи=2U_п, соответствует напряжение насыщения U_c.нac=U_п. Таким образом, малые значения напряжения обеспечивают получение малых токов и малых рабочих напряжений.

Выше при рассмотрении свойств МДП-транзисторов предполагалось, что исток соединен с подложкой и напряжение между ними равно нулю. Однако в микроэлектронике часто встречаются случаи, когда подложка имеет отрицательный потенциал U_пи относительно истока. Это соответствует, например, случаю, когда подложка является общей для всех МДП-транзисторов. На рис. 3.2.2 показано семейство стоковых в. а. х., параметром которых служит отрицательный потенциал подложки U_пи, а напряжение между затвором и истоком U_зи остается неизменным для всего семейства кривых. Эти в. а. х. получены при таком включении МДП-транзистора, когда подложка используется в качестве дополнительного управляющего электрода, с помощью которого осуществляется управление током в канале. При этом подложка выполняет роль дополнительного затвора, который иногда называют нижним. Механизм управления током, проходящим через канал, такой же, как и в униполярном транзисторе с управляющими р-n-переходами. Под действием электрического поля, созданного потенциалом U_пи, не только расширяется область, обедненная дырками вблизи канала, но и выталкивается некоторое количество электронов. Это вызывает увеличение сопротивления канала и уменьшение тока.

Смещение подложки относительно истока равнозначно увеличению порогового напряжения.

В импульсных схемах в качестве рабочих областей входных в. а. х. обычно используют крутые участки, для которых справедливо условие U_си<<U_зи-U_п. Это определяет линейную зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком:

. (3.2.32)

Произведение представляет собой проводимость канала, а величина, обратная ей, является сопротивлением канала:

(3.2.33)

Рисунок 3.2.17 Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора при различных напряжениях на подложке

Отсюда следует важный вывод о том, что сопротивление канала МДП-транзистора можно изменять в широких пределах путем изменения напряжения, прикладываемого к затвору.

В аналоговой технике чаще всего используют пологие участки в. а. х., которым свойственны наименьшие линейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К малосигнальным относятся следующие параметры МДП-транзистора:

крутизна ;

внутреннее сопротивление ;

коэффициент усиления .

Все эти параметры связаны между собой соотношением

k=S∙r_c (3.2.34)

В области насыщения крутизна

, (3.2.35)

где b – так называемая удельная крутизна, численно равная крутизне S при .

Зависимость крутизны от рабочего тока имеет вид

(3.2.36)

Внутреннее сопротивление на пологом участке в. а. х. обусловлено зависимостью длины канала от напряжения между истоком и стоком. При возрастании напряжения U_си наблюдается увеличение ширины стокового перехода и соответственно уменьшение длины канала . Это вызывает увеличение удельной крутизны b и тока стока I_c.

Коэффициент усиления , т.е. для получения значительного усиления по напряжению необходимо уменьшать ток стока.

Для оценки влияния потенциала подложки на ток стока I_с в пологой области в. а. х. вводят также понятие крутизны характеристики по подложке:

(3.2.37)

Обычно крутизна но подложке меньше крутизны, определяемой соотношением (3.2.11), причем при закорачивании затвора на подложку требуется учитывать суммарную крутизну S*=S+S_п.

Частотные свойства униполярных транзисторов обычно характеризуются введением емкостей:

 – емкости между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах;

входной емкости  – емкости между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе;

выходной емкости  – емкости между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе;

проходной емкости  – емкости между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе.

Числовые значения междуэлектродных емкостей униполярных транзисторов обычно не превышают десятых долей пикофарада.

Возможности широкого использования МДП-структур в качестве активных и пассивных элементов ИМС могут быть обеспечены только при соблюдении ряда требований, предъявляемых к конфигурации и электрофизическим свойствам различных областей, образующих эти структуры.

В процессе проектирования МДП-транзисторов необходимо стремиться к уменьшению длины канала, площади затвора и паразитных емкостей. Это позволяет получать высокочастотные приборы с хорошими шумовыми характеристиками. Важным дополнительным требованием является обеспечение высокой подвижности носителей заряда в канале, что можно достигнуть путем применения совершенных монокристаллических материалов. Высоким требованиям должен также удовлетворять диэлектрический слой, изолирующий затвор МДП-структур. В первую очередь он должен обладать высокой электрической прочностью и обеспечивать малые токи утечки через подложку. Высокие изоляционные свойства диэлектрического слоя должны поддерживаться в течение длительного времени, слой должен быть стойким к воздействию внешней среды. При этом толщина диэлектрического слоя обычно не должна превышать десятых долей микрометра.

На работу МДП-транзистора очень большое влияние оказывают поверхностные состояния исходной полупроводниковой подложки.

По результатам экспериментальных исследований плотность состояний атомарно чистых поверхностей полупроводников достигает 10¹⁴—10¹⁵см^-2, т.е. составляет величину порядка концентрации поверхностных атомов или ионов кристалла. При таком поверхностном состоянии полупроводниковой подложки формирование МДП-структур оказалось бы принципиально невозможным. Это нетрудно показать, если учесть, что максимальная плотность состояний, индуцируемая на поверхности полупроводника и определяемая напряженностью пробоя диэлектрика (10⁶–10⁷В/см), не превышает 10¹¹–10¹²см^-2. Следовательно, влияние индуцируемого заряда на модуляцию проводимости слоя полупроводника является пренебрежимо малым. Однако рассмотренный случай может иметь место лишь в условиях, близких к идеальным. В обычных условиях поверхность полупроводника покрыта толстым слоем оксидных соединений, а также слоями адсорбированных атомов и молекул. В результате искусственного окисления поверхности полупроводника или каких-либо других химических реакций можно получить диэлектрические слои с контролируемыми электрофизическими свойствами. Существенным является то, что поверхность, покрытая таким диэлектрическим слоем, имеет значительно меньшую плотность состояний, чем атомарно чистая поверхность. Этому можно дать сравнительно простое качественное объяснение, если учесть, что поверхностные состояния обусловлены обрывом валентных связей в кристаллической решетке, вследствие чего поверхностные атомы или ионы кристалла находятся в иных условиях по сравнению с атомами или ионами, расположенными в его глубине. При окислении или других поверхностных реакциях поверхностные атомы или ионы кристалла образуют химические связи с чужеродными атомами, например с атомами кислорода или азота. Вследствие этого для поверхностных атомов полупроводника и атомов, находящихся в глубине кристалла, различия становятся менее значительными. Этому способствует влияние ориентирующего поля полупроводникового кристалла, благодаря которому первые слои наращиваемого диэлектрика повторяют структуру полупроводника. В результате плотность поверхностных состояний на границе раздела полупроводник – диэлектрик уменьшается по сравнению с открытой поверхностью полупроводника.

В действительности на плотность поверхностных состояний оказывает влияние ряд других факторов, характеризующих реальное состояние поверхности и несовершенство технологических операций. Важнейший из них связан с различием исходных состояний поверхностных атомов полупроводника, обусловленным тем, что реальную поверхность полупроводника нельзя отождествлять с идеальной кристаллографической плоскостью. Реальная поверхность всегда имеет определенный рельеф как в микроскопическом, так и в макроскопическом масштабе и, следовательно, различные ее участки ограничены разными кристаллографическими плоскостями. Поэтому на такой рельефной поверхности имеются внешние и внутренние углы, условия для поверхностных атомов в которых резко отличаются от условий для атомов, расположенных непосредственно на кристаллографических плоскостях. Наконец, на поверхность выходят всевозможные структурные дефекты кристалла: дислокации, границы микроблочности, дефекты упаковки и области полупроводника, содержащие различные концентрации примесных атомов. Кроме того, процесс окисления или образования иного химического соединения на поверхности полупроводника также вносит ту или иную разупорядоченность в структуру и химическое строение переходной области между полупроводником и покрывающим его слоем диэлектрика.

В зависимости от знака и плотности поверхностного заряда приповерхностный слой кремния может находиться в трех различных режимах: обогащения, обеднения или инверсии.

Следовательно, плотность поверхностного заряда может быть больше или меньше плотности заряда в объеме подложки или вызывать в приповерхностном слое противоположный по сравнению с объемом подложки тип электропроводности.

В режиме обогащения границы энергетических зон вблизи поверхности полупроводника n-типа изгибаются вниз. Это приводит к возникновению электрического поля, которое способствует увеличению концентрации электронов на поверхности, т.е. к появлению в узком обогащенном слое объемного заряда q_a (отнесенного к единице поверхности). Если к МДП-структуре прикладывать соответствующее внешнее электрическое поле, притягивающее к поверхности электроны, то можно обеспечить режим обогащения в приповерхностном слое полупроводника. При этом тип электропроводности этого слоя сохранится, но его удельная проводимость повысится по сравнению с подложкой.

В режиме обеднения энергетические зоны вблизи границы раздела полупроводник-диэлектрик изгибаются вверх. Следовательно, концентрация электронов у поверхности полупроводника ниже, чем в объеме, и приповерхностный положительный связанный заряд Q_B будет обусловлен нескомпенсированными ионами донорной примеси. В предположении, что обедненная область полностью лишена подвижных носителей заряда и отделена от объема полупроводника резкой границей, распределение плотности заряда имеет прямоугольную форму. Для одномерной модели напряженность электрического поля является линейной функцией, а электростатический потенциал и энергия электронов – параболическими функциями расстояния от границы раздела диэлектрик-полупроводник.

Для обедненного приповерхностного слоя кремния можно использовать внешнее электрическое поле, которое должно быть направлено так, чтобы отталкивать основные электроны в объем полупроводника.

В режиме инверсии приповерхностный слой кремния отличается от его объема типом электропроводности. Такой режим является наиболее важным и определяет специфику характеристик МДП-транзистора.

При увеличении степени обеднения приповерхностного слоя, находящегося в режиме обеднения, некоторому значению напряженности внешнего электрического поля будет соответствовать положение уровня Ферми, в точности совпадающее с серединой запрещенной зоны полупроводника. Следовательно, концентрация дырок в приповерхностном слое будет превышать концентрацию электронов, т.е. тип электропроводности этого слоя изменится на противоположный.

В настоящее время в МДП-ИМС наибольшее распространение получили МДП-структуры с каналом р-типа. Преобладание таких структур над структурами с каналом n-типа обусловлено простотой управления поверхностными свойствами окисленного кремния в р-канальной технологии. Обычно в практических случаях изменение плотности поверхностных состояний, которое у р-канальных МДП-транзисторов вызывает изменение значения порогового напряжения, оказывается достаточным для перевода n-канального МДП-транзистора из режима обогащения в режим обеднения. Поэтому МДП-транзисторы с каналом р-типа характеризуются лучшей воспроизводимостью, что и определило их преимущественное использование для реализации МДП-ИМС.