gurtov

6.14. МДП-транзистор как элемент памяти

VGS = 0

Рис. 6.32. Зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором:

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

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

где I(t) — величина инжектированного тока в момент времени t.

Как видно из зонной диаграммы на рис. 6.32, 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:

Уравнение (6.102) напоминает выражение для туннельного тока Фаулера – Нордгейма из твердого тела в вакуум через треугольный барьер. Постоянные величины А и В, входящие в (6.102), зависят от типа полупроводника и высоты потенциальных барьеров на границе.

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

Первое слагаемое в соотношении (6.103) дает значение электрического поля Eох за счет приложенного напряжения к затвору VG, второе слагаемое — за счет накопления инжекционного заряда. В случае, если в качестве второго диэлектрика в МОП ПТ с плавающим затвором используется двуокись кремния, в (6.103) величины диэлектрических постоянных необходимо выбрать одинаковыми.

Глава 6. Полевые транзисторы

Из уравнений (6.101)–(6.103) следует, что при малых значениях времени τ накопленный заряд Q (τ) мал и линейно возрастает со значением времени τ, поскольку поле в окисле Eох и туннельный ток I(t) постоянны. При больших значениях времени наступает насыщение наполнения инжектированного заряда Q (τ). Соотношения (6.101)–(6.103) позволяют на основе расчета выбрать оптимальные режимы записи и стирания информационного заряда.

На базе МДП-транзистора с плавающим затвором, который позволяет хранить электроны, реализованы устройства flash-памяти. Операция программирования (заряд плавающего затвора) проводится лавинной инжекцией электронов из стоковой области канала МДП-транзистора. Если заряд плавающего затвора у однобитного МДП-транзистора меньше 5000 электронов, то это означает, что ячейка хранит логическую «1», а если заряд больше 30 000 электронов, то — «0». Заряд ячейки вызывает изменение порогового напряжения транзистора, и при операции чтения измеряется величина этого порогового напряжения, а по нему определяется количество заряда на плавающем затворе.

После выполнения операции стирания или программирования каждой ячейки этого массива стертые ячейки (логическая «1») имели порог 3,1 В, в то время как запрограммированные ячейки (логический «0») имели пороговое напряжение более 5 В.

Пионером разработки методов размещения заряда и считывания являлась компания Intel, которая разработала впервые тестовый чип 32 Мб по данной технологии. Во время разработки решались три основные задачи:

1)Контролируемая инжекция заряда: программирование ячейки flash-памяти должно очень хорошо контролироваться (что требует детального изучения физики программирования). Это значит, что во время программирования нужно подводить

кячейке ток на строго определенное время.

2)Контролируемое считывание инжектированного заряда: операция чтения MLC-памяти — аналого-цифровое преобразование заряда, сохраненного в ячейке, в цифровые данные.

3)Надежное сохранение заряда на плавающем затворе: для сохранения заряда на долгое время ставилась цель сделать его утечку меньше одного электрона за день.

Первый тестовый промышленный чип был выпущен компанией Intel в 1994 году и показал возможность сохранения нескольких бит информации в одной ячейке памяти. Типичные параметры однобитовой flash-памяти Intel: напряжение питания 2,7–3,6 В, время считывания 120 нс, время записи 11,3 мс, время стирания 0,55 с, рабочая температура от –40 до +85 °C, количество циклов перезаписи не менее 100 000. Флэш-диск может иметь объем до 2 ГБ памяти. Популярным устройством, реализующимся на основе flash-памяти является USB-флэш-память — новый тип флэш-накопителей, получивший распространение в последние годы. USB-память представляет собой накопитель с USB-разъемом, внутри которого размещаются одна или две микросхемы флэш-памяти и USB-контроллер.

6.15. Полевой транзистор с затвором в виде р-n-перехода

6.15. Полевой транзистор с затвором в виде р-n-перехода

Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р-n-перехода. На рис. 6.33 показана одна из возможных топологий такого транзистора. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема, заключенная между обедненными областями p-n-переходов, — каналом, а сильнолегированные n+-области сверху и снизу — затвором полевого транзистора. Конструктивно ПТ с затвором в виде p-n-перехода может быть выполнен с использованием планарной технологии и в различных других вариантах.

При приложении напряжения VGS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение p-n-перехода (VGS > 0), происходит расширение обедненной области p-n-перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (ND >> NA). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток-сток VDS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения VDS необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного p-n-перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению VGS. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Получим вольт-амперную характеристику транзистора. Здесь, как и ранее, ось у направим вдоль канала, ось х — по ширине канала, ось z — по глубине канала. Обозначим длину, ширину и высоту канала при отсутствии напряжения на транзисторе

как L, W, Н (VGS = VDS = 0).

При приложении напряжения к затвору VGS > 0 и стоку VDS < 0 произойдет расширение обедненной области p-n-перехода на величину lоб, равную:

Глава 6. Полевые транзисторы

Поскольку напряжение исток-сток VDS распределено вдоль канала VDS(у), то изменение ширины канала транзистора будет различно по длине канала. При этом высота канала h (y) будет равна:

Введем напряжение смыкания VG0 — напряжение на затворе, когда в квазиравновесных условиях (VDS = 0) обедненные области p-n-переходов смыкаются: h (y) = 0.

Тогда из (6.105) следует, что

Соотношение (6.105) с учетом (6.106) можно переписать в виде:

Выделим на длине канала участок от у до у + dy, сопротивление которого будет dR(y). При токе канала IDS на элементе dy будет падение напряжения dVDS(y), равное:

Величина сопротивления dR (y) будет равна:

Подставим (6.108) в (6.109) и проведем интегрирование по длине канала:

Поскольку удельное объемное сопротивление ρ равно ρ = (qμpp0)–1, преобразуем величину WH/ρ:

Здесь Qp(y = 0) = q ρ0H — заряд свободных дырок в канале на единицу площади. Подставив (6.111) в (6.110) и проведя интегрирование, получаем следующую зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG и стоке VDS для полевого

транзистора с затвором в виде p-n-перехода:

При малых значениях напряжения исток-сток в области плавного канала VDS << VG ток IDS равен:

6.15. Полевой транзистор с затвором в виде р-n-перехода

Если сравнить соотношение (6.113) с выражением (6.10) для тока стока МДП-по- левого транзистора в области плавного канала, то видно, что эти выражения совпадают при малых значениях напряжения VDS.

Из (6.107) следует, что при напряжениях VG < VG0 всегда можно найти такое напряжение на стоке VDS, когда вблизи стока произойдет смыкание канала:

h (y = L, VG, VDS) = 0.

Аналогично процессам в МДП ПТ это явление называется отсечкой. Из (6.95) следует, что напряжение отсечки VDS* будет равно:

Также заметим, что выражение (6.114) аналогично соотношению (6.11) для напряжения отсечки МОП ПТ, а напряжение смыкания VG0 имеет аналогом величину порогового напряжения VТ.

По мере роста напряжения исток-сток VDS точка отсечки перемещается от истока к стоку. При этом аналогично МДП ПТ наблюдаются независимость тока стока от напряжения на стоке и эффект модуляции длины канала. Подставляя (6.114) в (6.112), получаем зависимость тока стока IDS в области отсечки для полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода:

В области отсечки выражение (6.115) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида:

На рис. 6.34 показаны вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде p-n-перехода. Их отличительной особенностью является то, что при напряжении на затворе VG = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.

Рис. 6.34. Характеристики транзистора КП302Б [78, 79]:

а) выходные характеристики; б) начальные участки выходных характеристик

Глава 6. Полевые транзисторы

Быстродействие ПТ с затвором в виде p-n-переходов обусловлено зарядкой барьерных емкостей СG затворных p-n-переходов через сопротивление канала RK. Величина времени заряда τ = CG·RK. Емкость затвора СG и сопротивление канала RK равны:

Выражение (6.118) имеет минимальное значение при ширине обедненной области lоб = H/4, при этом граничная частота:

При значениях H = L для кремния (εs = 11,8) с удельным сопротивлением ρ, равным ρ = 1 Ом·см, граничная частота будет составлять величину несколько гигагерц.

6.16. СВЧ-полевые транзисторы с барьером Шоттки

6.16.1. GaAs-полевой транзистор с барьером Шоттки

Полевые транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник получили наибольшее распространение при производстве интегральных схем на основе арсенида галлия. Арсенид-галлиевые микросхемы имеют высокое быстродействие и могут работать в области сверхвысоких частот. Также арсенид-галлиевые полевые транзисторы используются в выходных каскадах усилителей мощности [2, 24, 25].

Топология полевых транзисторов с управляющим переходом металл – полупроводник точно такая же, как и топология полевых транзисторов с затвором в виде p-n- перехода, приведенная на рис. 6.33. Отличие наблюдается только в том, что вместо сильнолегируемых областей n+ используются слои металла (сплавы вольфрама W, титана Ti с последующим напылением платины Pt и золота Au для n-GaAs), обеспечивающие формирование барьера Шоттки. Для таких транзисторов используют аббревиатуру ПТШ.

На рис. 6.35 приведена схема мощного полевого транзистора на основе арсенида галлия с полной шириной затвора W = 6 мм.

При его реализации используется технологический процесс монтажа методом «перевернутого кристалла». Для установки кристалла на тепловод используют столбиковые выводы. Такой способ монтажа обеспечивает высокую рассеиваемую мощность и низкие паразитные индуктивности, важные для работы в СВЧ-диапо- зоне. На рис. 6.36 показана конструкция мощного СВЧ-GaAs-полевого транзистора с затвором в виде барьера Шоттки.

Основные соотношения, описывающие вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим переходом металл — полупроводник, остаются теми же самыми, как и для полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода (уравнения (6.112) для области плавного канала и (6.115) для области отсеченного канала).

Столбиковые выводы истока (Au)

б

Рис. 6.36. Конструкция мощного СВЧ-GaAs-полевого транзистора с затвором в виде барьера Шоттки [24]

На рис. 6.37 приведены экспериментальные и расчетные выходные и переда-

точные характеристики полевых транзисторов на GaAs, используемых в цифровых

интегральных схемах.