1 Глава: Введение. Структура и принцип действия мдп-транзистора.
Современные ИС бывают трёх видов: биполярные, полевые и биКМОП (содержащие как биполярные, так и полевые транзисторы). На этой основе строятся и аналоговые, и цифровые схемы. Биполярные ИС обладают высоким быстродействием, что хорошо для «аналога» и «цифры», однако они рассеивают большую мощность и это не позволяет создавать ИС высокой степени интеграции, т.к. возникает проблема отвода тепла. Но нет «худа без добра», большая мощность в сочетании с быстродействием разрешает строить на БТ мощные усилители СВЧ, что для современной связи крайне важно. Общая беда этих транзисторов – большая занимаемая площадь ими на кристалле. Именно из-за тепла и площади на БТ не делают большие логические схемы, хотя очень хотелось бы. Одним из решений этих проблем, в цифровой схемотехнике, стали МДП-транзисторы (МДПТ).
Они имеют существенные преимущества перед БТ по конструкции (размеры и занимаемая ими площадь невелики) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, устойчивость к перегрузкам по току, высокое входное сопротивление и помехоустойчивость, малая мощность рассеивания, низкая стоимость).
В тоже время БИС на МДПТ уступают БИС на БТ в технологической воспроизводимости, стабильности параметров и быстродействии.
МДПТ имеет четыре электрода: исток, сток, затвор, подложка. Полупроводниковая (п/п) область, от которой начинается дрейф основных носителей, называется истоком, область, в которой осуществляется дрейф основных носителей заряда (ОНЗ) и амплитудная модуляция дрейфового тока, - каналом, область, к которой под действием поля движутся (дрейфуют) ОНЗ, - стоком, область, металлическая или п/п, используемая для создания модуляции дрейфового тока, - затвором (рис.1). Подложка является конструктивной основой МДПТ.
Области стока и истока одного типа электропроводности формируют на некотором расстоянии Lk друг от друга локальной диффузией или ионной имплантацией. Они самоизолированы друг от друга p-n – переходами. Между ними поверх слоя диэлектрика расположен затвор, выполненный из проводящего материала.
Принцип действия МДПТ основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного слоя п/п материала, расположенного между стоком и истоком. Этот эффект вызывают наложением поперечного электрического поля в пространстве между проводящим затвором и п/п материалом (подложкой) за счёт напряжения, подаваемого на затвор. Тип проводимости канала обязательно совпадает с типом проводимости стока и истока. Так как тип проводимости истока, стока, канала противоположен типу проводимости подложки, то исток, сток, канал образуют с ней p-n – переход.
Р
ис.1.
МДПТ - транзистор
В
зависимости от типа ОНЗ в канале
различают p-канальные
и n-канальные МДПТ.
По конструктивно-технологическому
исполнению МДПТ подразделяют на две
разновидности: с индуцированным
каналом (рис.2,3) и со встроенным
(рис.4). Встроенный канал предусмотрен
конструктивно и создаётся на этапе
производства легированием области
между стоком и истоком.
Р
ис.2.
n – канальный МДПТ с
индуцированным каналом:
а) условное обозначение; б) структура.
Р
ис.
3. p – канальный МДПТ с
индуцированным каналом:
а) условное обозначение; б) структура.
Рисунок 4. n – канальный МДПТ со встроенным каналом:
а) условное обозначение; б) структура.
Создавая электрическое поле в структуре металл-диэлектрик-полупроводник, можно управлять проводимостью канала и соответственно током, протекающим между истоком и стоком. Так при отрицательном, относительно n-канала, напряжении на затворе в канале у границы полупроводника с диэлектриком концентрация электронов снижается, и проводимость канала уменьшается (режим обеднения). В p-канальном МДПТ в зависимости от величины и полярности напряжения на затворе наблюдается обогащение или обеднение канала дырками.
В МДПТ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует.
Рассмотрим качественно принцип действия транзистора n-типа с индуцированным каналом. Пусть он включён так, что на подложку подаётся самый отрицательный потенциал, а на затвор ноль. В результате p-n – переходы исток – подложка и сток – подложка будут смещены в обратном направлении. Ток через обратно смещенный p-n – переход мал, что соответствует высокому сопротивлению между областями сток – исток. И если к этим областям подключить питание, то ток носителей от истока к стоку будет ничтожно мал, т.е. транзистор закрыт. Обратим внимание, что структура МДП подобна конденсатору, и приложим к затвору положительный потенциал. Под его действием в окисле и тонком приповерхностном слое п/п будет создано электрическое поле с напряжённостью, пропорциональной напряжению на затворе и обратно пропорциональной толщине диэлектрика. Под действием этого поля электроны, имеющиеся в подложке, будут притягиваться к поверхности п/п, а дырки отталкиваться. Тем самым будет изменяться концентрация носителей в тонком приповерхностном слое (4…5 нм) п/п между областями сток – исток. Вначале образуется слой, обеднённый дырками, а затем, по мере роста положительного потенциала, обогащённый электронами (инверсионный слой электронов). При некотором напряжении на затворе, именуемом пороговым, между стоком и истоком формируется проводящая область – канал – с очень низким сопротивлением. Транзистор будет открыт. После этого ток стока принимает определённое значение при определённом напряжении на затворе. Поскольку входной управляющий ток (в цепи затвора) ничтожно мал по сравнению с управляемым (в цепи сток - исток), получается значительное усиление по мощности, гораздо большее, чем у БТ. МДПТ является эффективным усилительным прибором.
Электрическое сопротивление канала зависит от его длины Lk и ширины Wk, оно модулируется напряжением на затворе UзИ и зависит от напряжённости наведённого поля в п/п, обратно пропорционально толщине диэлектрика dox и прямо пропорционально диэлектрической проницаемости диэлектрика ε.
Таким образом, для формирования индуцированного канала в n – канальном транзисторе на затвор необходимо подать положительное напряжение определённой величины, а в p – канальном – отрицательное. Транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения.
Исток и сток обратимы, и их можно менять местами при включении транзистора в схему. В этом случае при симметричной структуре транзистора (сток и исток могут различаться формой и площадью) его параметры сохраняются.
Базовой схемой многих МДП микросхем является инвертор – ключевая схема, содержащая активный транзистор и нагрузку, включенные между шиной питания и землёй. В настоящее время используются лишь немногие из них: с линейной, нелинейной, квазилинейной, токостабилизирующей нагрузками и вариант инвертора на КМДП-транзисторах.
МДПТ могут служить в схеме в качестве конденсаторов, для чего можно использовать ёмкости структур затвор – подложка или ёмкости обратно смещенных p-n переходов сток (исток) – подложка.
Таким образом, МДПТ может быть основным и единственным элементом МДП-микросхем. Он может выполнять функции как активных приборов (ключевой транзистор в инверторе, усилительный транзистор), так и пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти). При проектировании МДП-микросхем можно обходится только одним элементом – МДПТ, конструктивные размеры которого и схема включения будут зависеть от выполняемой функции. Это обстоятельство даёт существенный выигрыш в степени интеграции (п/п резисторы и конденсаторы занимают большую площадь и требуют для себя отдельную изолированную область, кроме того, наличие пассивных п/п элементов влечёт за собой появление дополнительных паразитных элементов, в частности паразитных ёмкостей, существенно ухудшающих частотные свойства микросхем).