Gurtov_TE

рисунке 6.4 была приведена схема p-канального МДП транзистора в области плавного канала при наличии напряжения на подложке VSS.

При приложении напряжения канал-подложка VSS происходит расширение области пространственного заряда между инверсионным каналом и квазинейтральным объемом, и для n-канального транзистора увеличение заряда ионизованных акцепторов:

Поскольку напряжение на затворе VGS постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП-транзистора Qm. Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения QB вырос, заряд электронов в канале Qn должен уменьшиться. С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП-транзистора, поскольку регулирует также сопротивление инверсионного канала между истоком и стоком.

При возрастании заряда акцепторов в слое обеднения возрастет и пороговое напряжение транзистора VТ, как видно из уравнения (6.8). Изменение порогового напряжения ∆VT будет равно:

Поскольку смещение подложки приводит только к изменению порогового напряжения VТ, то переходные характеристики МДП-транзистора при различных напряжениях подложки VSS смещаются параллельно друг другу. На рисунках 6.12 и 6.13 показан эффект влияния смещения подложки на переходные и проходные характеристики МДП-транзисторов.

Рис. 6.12. Влияние напряжения смещения канал-подложка VSS на проходные характеристики транзистора в области плавного канала VDS = 0,1 В

251

Рис. 6.13. Переходные характеристики МДП-транзистора при нулевом напряжении VSS = 0 В смещения канал-подложка (сплошные линии) и при напряжении VSS = -10 В (пунктирные линии)

6.8. Малосигнальные параметры

Для МДП-транзистора характерны следующие малосигнальные параметры: крутизна характеристики S , внутреннее сопротивление Ri, коэффициент усиления . Крутизна переходной характеристики S определяется как

и характеризуется изменением тока стока при единичном увеличении напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Внутреннее сопротивление Ri определяется как

dV

Ri = dI DS , VGS = const (6.20)

DS

и характеризует изменение напряжения в выходной цепи, необходимое для единичного увеличения тока стока при неизменном напряжении на затворе.

Коэффициент усиления µ определяется как

и характеризуется изменением напряжения в выходной цепи при единичном изменении напряжения во входной и неизменном токе стока. Очевидно, что в

252

области плавного канала крутизна S и дифференциальное сопротивление Ri будут иметь значения:

При этом коэффициент усиления µ, равный их произведению, всегда меньше единицы:

Таким образом, необходимо отметить, что полевой МДП-транзистор как усилитель не может быть использован в области плавного канала.

Сравним дифференциальное сопротивление Ri и омическое сопротивле-

Отметим, что дифференциальное сопротивление транзистора в области Ri совпадает с сопротивлением R0 канала МДП-транзистора по постоянному току. Поэтому МДП-транзистор в области плавного канала можно использовать как линейный резистор с сопротивлением R0. При этом величина сопротивления невелика, составляет сотни Ом и легко регулируется напряжением.

Рассмотрим напряжения для малосигнальных параметров в области отсечки. Из (6.12) и (6.19) следует, что крутизна МДП-транзистора

Из (6.25) следует, что крутизна характеристики определяется выбором рабочей точки и конструктивно-технологическими параметрами транзистора.

Величина в получила название «удельная крутизна» и не зависит от выбора рабочей точки.

Для увеличения крутизны характеристики необходимо:

–уменьшать длину канала L и увеличивать его ширину W;

–уменьшать толщину подзатворного диэлектрика dox или использовать диэлектрики с высоким значением диэлектрической проницаемости εox;

–использовать для подложки полупроводники с высокой подвижностью µn свободных носителей заряда;

–увеличивать напряжение на затворе VDS транзистора.

Динамическое сопротивление Ri в области отсечки, как следует из (6.12) и (6.20), стремится к бесконечности: Ri → ∞, поскольку ток стока от напряжения на стоке не зависит. Однако эффект модуляции длины канала, как было показано, обуславливает зависимость тока стока IDS от напряжения на сто-

253

ке VDS в виде (6.16). С учетом модуляции длины канала величина дифференциального сопротивления Ri будет равна:

Ri = R0 = 125 Ом. Величины дифференциального сопротивления Ri и усиления µ в области отсечки будут соответственно равны: Ri = 5 кОм, µ = 40.

Аналогично величине крутизны характеристики по затвору S можно ввести величину крутизны переходной характеристики S΄ по подложке, посколь-

6.9.Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора

Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рисунке 6.14. Здесь Rвх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость Свх – емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия за-

254

твор-исток. Паразитная емкость Спар обусловлена емкостью перекрытий за- твор-сток. Выходное сопротивление Rвых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная

~

емкость Свых определяется емкостью р-n перехода стока. Генератор тока i1 передает эффект усиления в МДП-транзисторе.

Спар

Рис. 6.14. Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора

Определим быстродействие МДП-транзистора исходя из следующих соображений. Пусть на затвор МДП-транзистора, работающего в области отсечки, так что VGS = VDS = Vпит, подано малое переменное напряжение u~ = u0 sin(ωt) .

Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитный ток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:

С ростом частоты выходного сигнала f паразитный ток будет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления. Определим граничную частоту работы МДП-транзистора f = fмакс, когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):

Поскольку напряжение исток-сток VDS порядка напряжения VGS – VT, то, используя определение дрейфовой скорости

255

можно видеть, что предельная частота усиления fмакс определяется временем пролета τ электронов через канал транзистора:

Оценим быстродействие транзистора.

Пусть 500 см2/(В·с), длина канала L = 10мкм = 10-3 см, напряжение питания Vпит = 10 В. Подставляя эти значения в (6.32), получаем, что максимальная частота для МДП-транзистора составляет величину порядка fмакс ≈ 1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратно пропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.

6.10. Методы определения параметров МОП ПТ из характеристик

Покажем, как можно из характеристик транзистора определять параметры полупроводниковой подложки, диэлектрика и самого транзистора. Длину канала L и ширину W обычно знают из топологии транзистора. Удельную емкость подзатворного диэлектрика Сox, а следовательно, и его толщину находят из измерения емкости C-V затвора в обогащении. Величину порогового напряжения VT и подвижность µn можно рассчитать как из характеристик в области плавного канала (6.10), так и из характеристик транзистора в области отсечки (6.12). В области плавного качала зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VGS – прямая линия. Экстраполяция прямолинейного участка зависимости IDS(VGS) к значению IDS = 0 соответствует, согласно

(6.10),

В области отсечки зависимость корня квадратного из тока стока IDS от напряжения на затворе VGS также, согласно (6.12), должна быть линейной. Экстраполяция этой зависимости к нулевому току дает пороговое напряжение VT.

256

Тангенс угла наклона tg(α) зависимости IDS (VGS ) определит величину подвижности µn:

На рисунке 6.10 были приведены соответствующие зависимости и указаны точки экстраполяции. Для определения величины и профиля легирования NA(z) пользуются зависимостью порогового напряжения VT от смещения ка- нал-подложка VSS. Действительно, как следует из (6.18), тангенс угла наклона

tg(α) зависимости ∆VT = f ( ψ s0 + VSS ) определяет концентрацию легирую-

щей примеси. Зная толщину окисла и примерное значение NA (с точностью до порядка для определения 2φ0), из (6.18) можно рассчитать величину и профиль распределения легирующей примеси в подложке МДП-транзистора:

Эффективная глубина z, соответствующая данному легированию, равна:

Таким образом, из характеристик МДП-транзистора можно рассчитать большое количество параметров, характеризующих полупроводник, диэлектрик и границу раздела между ними.

6.11. Топологические реализации МДП-транзисторов

В зависимости от требуемых выходных параметров существуют различные технологические и топологические решения при приборной реализации МДП-транзисторов. В том случае, если требуется реализовать малые длины каналов, наиболее распространенными являются МДП-транзисторы, полученные методом двойной диффузии. Используя технологию двойной диффузии, на стандартном литографическом оборудовании удается получить МДП-транзисторы с хорошо контролируемой длиной канала L ≤ 0,5 мкм.

Структура МДП-транзистора, изготовленного методом двойной диффузии, приведена на рисунке 6.15. Технологические особенности формирования такого транзистора следующее. В окно под областью истока проводится диффузия примеси p-типа с низкой концентрацией. Затем в окна истока и стока проводится диффузия примеси n-типа с высокой концентрацией. В результате получается МДП прибор с субмикронной длиной канала, имеющей неравномерное распределение концентрации легирующей примеси по длине

257

канала. Так же, как и в стандартном технологическом процессе, можно получить МДП-транзисторы с обеднением и обогащением. Возможность получения на одном кристалле разного типа каналов позволяет строить высокоэффективные ключевые МДП интегральные схемы, используя в качестве активных элементов МДП-транзисторы с обогащением, а в качестве нагрузочных – с обеднением. Поскольку в МДП-транзисторах, изготовленных методом двойном диффузии, концентрация носителей в канале (концентрация легирующей акцепторной примеси) зависит от координаты, то вольтамперные характеристики такого транзистора будут несколько отличаться от характеристик стандартного прибора. [15, 43]

Рис. 6.15. Структура n-канального МДП-транзистора, изготовленного методом двойной диффузии

Для повышения плотности упаковки МДП-транзистора используют вертикально интегрированные структуры. В таких структурах области истока и стока располагаются друг над другом, а канал находится в вертикальной плоскости. Вертикально интегрированные структуры являются одним из направлений микроэлектроники по пути к «трехмерной» интеграции.

Основной разновидностью вертикально интегрированных МДПтранзисторов являются транзисторы с V-канавками, реализуемой на основе полипланарной технологии. В ее основе заложено вертикальное анизотропное травление кремния с ориентацией (110), что позволяет формировать в эпитаксиальном слое V- образные области. На рисунке 6.16 приведена конструкция n-канального МДП-транзистора с V-образной канавкой. Роль истока и стока играют сильнолегированные n+-области, а область канала находится между ними. V-МОП-технология позволяет реализовать компактную ячейку, содержащую V- МДП-транзистор, n-МДП-транзистор и нагрузочный резистор, изготовленной по технологии с поликремневым затвором и оксидной изоляцией.

МДП транзисторы с вертикальным каналом используются в выходных каскадах и источниках питания, поскольку их мощность рассеивания дости-

258

гает сотен ватт и они обладают при этих условиях лучшими импульсными характеристиками по отношению к другим полупроводниковым приборам. В V-МДП транзисторах могут сочетаться высокие рабочие напряжения (до 1000 вольт) и большие токи (десятки ампер).

Затвор

Исток

SiO2

Рис. 6.16 Конструкция n-канального МДП транзистора с V-образной канавкой

Другими технологическими приемами позволяющими реализовать трехмерную структуру интегральных схем, является КНИ–технология, или технология «кремний на изоляторе». Предтечей этой технологии являлась КНСтехнология или технология «кремний на сапфире». В этой технологии на сапфире эпитаксиально выращивались тонкие слои монокристаллического кремния, из которых методами планарной технологии формировались изолированные кремниевые «островки». В эти заготовки затем формировались обычные МДП-транзисторы. Особенностью КНС-технологии является отсутствие паразитных связей через подложку между отдельными МДПтранзисторами при объединении их на одном кристалле в интегральную схему. На рисунке 6.17 приведена схема МДП-транзистора по технологии «кремний на сапфире».

При развитии КНИ-технологии для трехмерных интегральных схем в качестве изолирующих слоев используют эпитакиальные слои двуокиси кремния, а в качестве полупроводниковых слоев – слои поликристаллического кремния с последующей кристаллизацией.

259

Изолирующая подложка

Рис. 6.17. Схема МДП-транзистора, изготовленного по технологии «кремний на сапфире»

6.12. Размерные эффекты в МДП-транзисторах

Если рассмотреть соотношения между геометрическими размерами МДП-транзистора и параметрами области пространственного заряда, то обращает на себя внимание тот факт, что в этих соотношениях отсутствует знак «много больше». Действительно, длина и ширина канала сравнимы с толщиной обедненной области и толщиной подзатворного диэлектрика, величина области отсечки – с длиной канала транзистора. Поэтому можно ожидать, что вольт-амперные характеристики такого МДП-транзистора и его основные параметры (подвижность µn и пороговое напряжение VT) будут отличаться от соответствующих параметров и характеристик МДП-транзистора с большими размерами.

Для точного рассмотрения ВАХ МДП-транзистора с малыми размерами необходимо решать двухмерное уравнение Пуассона. Поверхностный потенциал ψ в этом решении будет зависеть не только от координаты y вдоль канала, но и от координаты z вглубь и координаты х поперек канала. Точное решение двух- и трехмерного уравнения Пуассона возможно только численными методами. Затем, используя для плотности тока выражение (6.1) и проводя численное интегрирование этого уравнения, получают вольт-амперные характеристики.

Однако некоторые эффекты, связанные с уменьшением размеров транзисторов, можно описать качественно на языке изменения порогового напряжения и подвижности. Рассмотрим, как изменяется пороговое напряжение VT при изменении длины канала L.

260