Полевые транзисторы

Содержание главы:

МОП транзисторы в ИМС

Современная микроэлектроника в основном базируется на приборах со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), что связано с простотой планарной технологии, обеспечивающей в тоже время высокую степень интеграции микросхем при малых токах потребления.
Вольтамперная характеристика идеального МДП транзистора, полученная в приближении плавного канала при учете только дрей­фовой составляющей тока и ряде других предположений может быть записана в виде:

где Z - ширина канала, L - длина канала, m - подвижность носителей заряда, Cox - емкость подзатворного диэлектрика, VG - напряжение на затворе, VD - напряжение на стоке, VT - пороговое напряжение.

Пороговое напряжение VT соответствует началу сильной инверсии (ys=2jo) т.е. формированию инверсионного канала и открытию транзистора. Наличие захваченного заряда в диэлектрике Qox и на поверхностных состояниях Qss, а также контактной разности потенциалов Dfms, приводит к сдвигу порогового напряжения:

В линейной области, когда справедлива формула (1) передаточная ВАХ ID(VG) также линейна и величина VT может быть найдена экстраполяцией графика к оси абсцисс (рис.1).

Рис 1. Передаточная ВАХ в линейной области

В области насыщения (в условиях отсечки канала) передаточная ВАХ МДП транзистора ID(VG) имеет квадратичную форму:

(3)

При работе в ключевом режиме или низковольтном питании МДП транзистор может работать при напряжениях на затворе вблизи порогового. В этом случае необходимо учитывать диффузионную составляющую тока, которая в условиях слабой инверсии в приповерхностной области полупроводника превышает дрейфовую компоненту. Учитывая только диффузионную составляющую тока стока ID равен:

(4)

где n(0)=npoexp(bys) - концентрация электронов у истока,
n(L)=npoexp(b(ys-VD))- концентрация электронов у стока, b=q/kT, Dn - коэффициент диффузии, S=Z.x - эффективная поперечная площадь канала, x~kT/Es - глубина канала, зависящая от поля Es. Решением уравнения (3) будет подпороговая ВАХ:

(5)

где Ld - длина Дебая. Как видно из уравнения (5), зависимость ID от VD очень слабая т.к. множитель (1-exp(-bVD)) при VD> 2kT/q (VD>0.05 В) равен единице и ток стока зависит только от напряжения на затворе VG. Зависимость ys от VG - сложная, но слабая, примерно линейная. Тогда подпороговая ВАХ будет носить в основном экспоненциальный характер: ID ~exp(ys) ~ exp(VG) (5a)

Рис.2 Подпороговая ВАХ МДП транзистора.

Наклон подпороговой характеристики g:

зависит от температуры T и примерно равен

(6)

где CB, Css, Cox - емкости области пространственного заряда (ОПЗ), поверхностных состояний (ПС) и окисла соответственно.

(7)

(8)

где dox - толщина диэлектрика, eox - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, es - диэлектрическая проницаемость полупроводника,

NB - концентрация легирующей примеси (уровень легирования), jo - положения уровня Ферми относительно середины зоны, ni - концентрация собственных носителей

Таким образом, зная величины Cox и CB можно по наклону графика lg(ID)~VG определить Css т.е. и плотность поверхностных состояний Nss:

(9)

Необходимо отметить, что в величину Nss входит не только истинная плотность поверхностных состояний, но в нею дают также вклад и флуктуации поверхностного потенциала ys. Существуют методы измерений истинного значения Nss, например метод зарядовой накачки (т.н. CP-метод), который рассматривается ниже.

На рисунке ниже показаны n- и p- канальные транзисторы в ИМС. n- канальный транзистор выполнен в так называемом "кармане". Такая комплементарная пара используется в семействе КМОП ИМС.

Применение КМОП транзисторов рассмотрено и в главе, посвященной элементам памяти.

 Содержание.

Метод зарядовой накачки.

Метод зарядовой накачки, который позволяет определить истинное значение плотности поверхностных состояний на гранце раздела полупроводник - диэлектрик, а также их сечение захвата.
Метод в основном используется для определения пространственно однородного распределения ловушек на границе раздела сред. Экспериментальное решение СР-метода (от английского "Charge Pumping") имеет несколько разновидностей [1]. Наиболее распространенной является методика, предложенная Элиотом [2]. Согласно этой методике на стоковый и истоковый переходы МДП - транзистора подается обратно смещающее напряжение Vr, а на затвор - импульсы напряжения с изменяющимся базовым уровнем Vbase(V=Vbase +Va).


AE5<0 87<5@5=89
Рисунок 1. Схема измерений тока зарядовой накачки.
A - измеритель тока, Vr - обратное смещение, Vb - медленно меняющееся напряжение Vbase, Va - импульсы напряжения.


Эти импульсы Vbase переводят транзистор из состояния обогащения в состояние сильной инверсии и обратно. Амплитуда Va, частота f, времена нарастания tr и спада tf импульсов остаются постоянными. Измеряется зависимость тока в цепи подложки от уровня Vbase смещения импульсов на затворе (рис. 2) - т.н. кривая тока зарядовой накачки. Можно выделить пять областей в поведении тока подложки Icp.
Область 1, которая соответствует максимальному значению тока Icp= Icp/max. Это происходит, когда уровень смещения Vbase ниже, чем напряжение плоских зон Vfb, что соответствует состоянию обогащения n-канального МДП-транзистора, а верхний уровень Vtop= Vbase+Va выше, чем пороговое напряжение Vt, что соответствует состоянию инверсии.
В последующей фазе импульса транзистор переводится в состояние обогащения. Большая часть неосновных носителей на поверхностных состояниях (ПС) при этом рекомбинирует с основными носителями, пришедшими к поверхности из подложки. В следующем цикле, когда МДП-транзистор снова переводится в состояние инверсии, основные носители освобождают ПС и уходят через подложку во внешнюю цепь, а неосновные носители, из стока и истока, заполняют соответствующие ПС. Таким образом, основные и не основные носители заполняют и покидают ПС. Усредненная за период компонента тока, протекающая в цепи подложки, называется “током накачки”. Этот ток прямо связан со значением плотности поверхностных состояний:

(1)

где - средняя по запрещенной зоне величина плотности поверхностных состояний по всей ширине запрещенной зоны, ni - собственная концентрация свободных носителей.

Рис.2. Схема, иллюстрирующая процесс измерения тока зарядовой накачки для n-канального МДП-транзистора: 1-Vbase<Vfb<Vtop-область нормального тока зарядовой накачки Icp; 2- Vbase, Vtop < Vfb-область нулевого тока Icp; 3- Vbase, Vtop > Vt -область нулевого тока Icp; 4- Vbase<Vfb<Vtop<Vt-переходная область от Icp=0 до Icp=Icp/max; 5- Vfb<Vbase<Vt<Vtop-переходная область от Icp=Icp/max до Icp=0;



Рис.3. Форма импульсов, применяемых в методе зарядовой накачки: а-прямоугольные импульсы, б-треугольные импульсы.
Области 2 и 3 (см. рис. 2), соответствуют значению тока подложки, равному нулю, Icp=0. В области 2 вершина Vtop и базовый уровень смещения Vbase проходят ниже Vfb и Vt, и ОПЗ находится в состоянии обогащения. Следовательно, ПС постоянно заполнены дырками, вблизи поверхности нет не основных носителей, и, поэтому, ток рекомбинации равен нулю.
В области 3 транзистор находится постоянно в состоянии инверсии и основные носители не достигают поверхности, исключая, тем самым, рекомбинационные процессы на ПС. В обоих случаях, измеряемый ток состоит только из токов утечки стокового и истокового p-n-переходов.
Области 4 и 5 соответствуют току подложки в интервале 0< Icp< Icp/max. Это переходные области, характеризующиеся появлением процесса рекомбинации и его исчезновением. Форма СР-тока в этих областях будет определяться рекомбинационными процессами в слабом обеднении и в слабом обогащении. Однако на форму краев СР-тока будут также оказывать влияние еще несколько факторов: близость стока и истока, неоднородная деградация вблизи или над стоком.
Для определенности рассмотрим поведение n-канального транзистора, к затвору которого прикладываются импульсы трапецеидальной формы со временами нарастания tr и спада tf, амплитудой Va (рис. 3). Параметры импульсов подбирают таким образом, что транзистор последовательно переводится из состояния обогащения в состояние обеднения, инверсии и обратно. Поверхностные состояния при данном затворном напряжении, находящиеся ниже уровня Ферми, считаются заполненными носителями заряда.[2]
Предположим, что в начальный момент времени МДП-транзистор находится в состоянии обогащения. При увеличении затворного напряжения транзистор переходит в состояние инверсии, что сопровождается изменением положения уровня Ферми, а, значит, изменением заряда на ПС. В данном случае, происходит эмиссия дырок с ПС в валентную зону с последующим их уходом в подложку. Канал будет находиться в равновесии, пока выполняется условие:

(2)

где - скорость изменения плотности заряда на ловушках, требуемая для сохранения равновесия:

(3)

и - реальная скорость эмиссии дырок в валентную зону:

(4)

где nt(t)-плотность носителей заряда на ловушках (см-1).
Как только скорость изменения заряда на ловушках становится меньше требуемой, и канал переходит в неравновесное состояние, то освобождение ловушек начинает контролироваться только процессом эмиссии. Переход от равновесного к неравновесному состоянию происходит при определенном затворном напряжении, которое можно рассчитать из формул (2)-(3) и зависимости ys(Vg). Это переходное напряжение равно напряжению плоских зон Vfb.
Когда затворное напряжение превышает пороговое напряжение Vt, не основные носители - электроны захватываются на поверхностные состояния, где рекомбинируют с дырками.
Обратный переход от инверсии к обогащению сопровождается следующими процессами: электроны инжектируются с поверхностных состояний и текут в сток и исток в равновесном режиме до тех пор, пока затворное напряжение больше порогового напряжения Vg> Vt; при Vg< Vt неравновесная эмиссия электронов с поверхностных состояний: при Vg= Vfb происходит захват дырок на ловушки, еще заполненные электронами.
Согласно теории эмиссии носителей с поверхностных состояний можно получить следующие выражения для энергетических уровней в запрещенной зоне, с которых происходит эмиссия носителей заряда в данный момент времени:

(5)
(6)


где tem,e и tem,h - времена неравномерной эмиссии для электронов и дырок, соответственно, с уровней Eem,e и Eem,h. Эти времена можно выразить через параметры импульсов и напряжения Vt и Vfb:
(7)
для прямоугольных импульсов (см. рис. 4, а) и для треугольных импульсов:
(8)
где f-частота импульсов, a - часть периода, когда Vg увеличивается (рис. 3, б). СР-ток для прямоугольных импульсов будет выражаться:
(9)
и для треугольных импульсов:
(10)
Рекомбинационный заряд за цикл, равный:
, (11)
можно представить для треугольных импульсов как функцию от частоты:
(12)
График Qss(f) представляет из себя прямую линию в полулогарифмических координатах. Экстраполируя эту прямую к значению Qss=0, можно найти частоту f0 и вычислить значение сечения захвата, исходя из формулы (11):

(13)

Наклон прямой дает выражение:

(14)
что позволяет определить значение величины средней плотности поверхностных состояний .

Литература.
1. Heremans P., Witters J., Groeseneken G., Maes H.E. Analysis Of charge pumping Techique And Its Application For MOSFET Degradation // IEEE Trans. On Elect. Devices. 1989. V.36. №7. P.1318-1335.
2. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в ИМС. М. - 1988 -255 с.

Полевые тразисторы с p-n переходом.

Полевые транзисторы с p-n перходом в качестве затвора обычно используются в биполярных ИМС во входных каскадах усилителей благодаря их большому входному сопротивлению. У таких транзисторов хорошие частотные характеристики и радиационная стойкость. Планарная реализация полевых транзисторов с p-n переходом существенно отличается от классического дискретного прибора. Как можно реализовать такой прибор в интегральном исполнении показано на рисунке ниже (слева n-канальный и справа p- канальный транзисторы).

и

Отметим, что у n-канального прибора верхний затвор может соединятся с p - подложкой или иметь кольцевую конфигурацию (если смотреть сверху) как показано на рисунке.

и

Если верхний затвор соединен с подложкой, то такой транзистор может использоваться только в схеме с общим затвором.

Содержание.

 

Другие полевые приборы.

К таким приборам можно отнести ПЗС т.е. приборы с зарядовой связью. Они работают в режиме неравновесного обеднения. Конструктивно выполняются в виде линеек или матриц близко расположенных МОП структур и не имеют аналогов среди дискретных приборов. ПЗС часто используются как фото приемные устройства, регистры, линии задержки, фильтры, запоминающие устройства. Так примерно выглядит фотоприемная матрица 256 X 256 элементов.

Модификация подзатворного диэлектрического слоя позволила создать новый класс МДП приборов. МНОП транзисторы и транзисторы с плавающим затвором активно используются в репрограммируемых элементах памяти. Их описание можно найти в главе "Устройства памяти".

Советуем решить задачи по МОП транзисторам.

Содержание.

test