Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
МДП-транзисторы (полевые транзисторы с изолированным затвором) могут быть двух видов (риса) с индуцированным каналом (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам б) с встроенным каналом (канал создается при изготовлении. У МДП-транзистора, в отличие от ПТ с управляющим р – n- переходом, металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, называемый подложкой. а б Рис. 10.5. Схематичная структура МОП-транзисторов с индуцированным каналом аи со встроенным каналом б (каналы р-типа) МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа устроен следующим образом. Основа – пластина слаболегированного кремния n- типа называется подложкой (обозначена П на рис. 10.5). В теле подложки созданы две сильно легированные области с полупроводником р-типа. Одна из них – сток (С, другая – исток (И. Электрод затвора З изолирован от областей тонким слоем диэлектрика SiO 2 толщиной мкм. Вследствие физических явлений, возникающих на границе раздела диэлектрика SiO 2 с полупроводником типа, в подложке индуци- руется обогащенный электронами поверхностный слой (риc. 10.6). Между р-областями стока и истока будет располагаться слой отрицательных зарядов, образуя структуру р – n – р на пути от истока к стоку. Вместе контакта двуокиси кремния и полупроводника образуется контактная разность потенциалов, достигающая значения) В. З SiO 2 + + + + + + + + - - - - - - - - Подложка Si (n + ) П Рис. 10.6. Исходное распределение зарядов на границе раздела двуокиси кремния и полупроводника Р-области с подложкой типа образуют р – переходы. К стоку и истоку прикладываются противоположные по знаку потенциалы, поэтому при любой полярности приложенного к электродам стока и истока напряжения один из р – переходов будет смещен в обратном направлении и препятствует протеканию тока. Следовательно, в данном приборе в исходном состоянии между стоком и истоком отсутствует токоведущий канал. Проводящий канал возникает при достижении напряжением на затворе некоторого порогового значения U зи пор при си ≠ 0, | U зи пор | ≈ ( 2 - 4 ) В. При увеличении (в данном случае отрицательного относительно истока) напряжения на затворе выше порогового значения в подложке на границе раздела образуется слой зарядов с электропроводностью р-типа. Этот слой соединяет р-области стока и истока, образуя токопроводящий (индуцированный) канал. Чем больше значение отрицательного напряжения на затворе, тем больше толщина индуцированного канала и его проводимость (рис. 10.7). Таким образом, рассматриваемая структура обладает признаками управляемого ключевого элемента. Если на затворе установлен положительный или нулевой потенциал, ток между стоком и истоком протекать не может цепь разомкнута, то есть имеет очень большое сопротивление. Если жена затворе установить отрицательный потенциал, по модулю больший U зи пор, вцепи сток – исток может протекать ток, зависящий от управляющего напряжения U зи и напряжения питания U си (рис. 10.7, в. Рис. 10.7. Иллюстрация образования токопроводящего канала (а условное графическое обозначение б и стоко-затворная характеристика в МДП- транзистора с индуцированным каналом р-типа Стоко-затворную характеристику часто называют характеристикой управления. Статические стоковые (выходные) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа по виду похожи на таковые для транзистора с управляющим р-n-переходом и каналом типа (см. рис. 10.2, б. Рис. 10.8. Упрощённые стоковые характеристики МДП-транзистора с индуцированным р-каналом (электрические величины-ориентировочные) При | U зи | < |U зи порток очень мал (доли А, поэтому до пробивного напряжения си проб величина тока практически незаметна рис. 10.7, в. Если U зи превышает U зи пор, то при малых значениях си ток стока изменяется вначале прямо пропорционально изменению си участок ОА) (рис. 10.8). Затем из-за сужения канала и уменьшения его общей проводимости рост тока I c уменьшается (на рисунке не отражено. В точке А ток достигает значения тока насыщения, соответствующего значению U зи для данной характеристики. Ток стока можно представить состоящим из двух составляющих I c к + I c ост , где к – ток канала (управляемая часть I c ост – остаточный ток стока (это ток утечки плюс обратный ток неосновных носителей, I c ост ≈ 0. В точке А управляемая часть тока уже не растет (достигнут режим насыщения, поэтому при дальнейшем увеличении си ток стока остается неизменным, равным насыщенному значению I c нас (рис. 10.8) При увеличении напряжения си до значения си проб возникает электрический пробой стокового р – перехода, ток стока резко увеличивается, замыкаясь через цепь подложки (подложку обычно соединяют с истоком отдельным проводником. Если увеличивать значение | U зи | при неизменном сито за счет увеличения электропроводности канала стоковая характеристика поднимется вверх, а значения | си нас | и I c нас станут больше. Следует отметить, что практически пропорциональная зависимость тока стока I c от напряжения и при заданном значении управляющего напряжения U зи на участках ОА стоковых характеристик позволяет построить переменный резистор с управляемой вольт- амперной характеристикой. Управление таким элементом может осуществляться либо простым изменением потенциала на затворе при заданном значении напряжения сток – исток, либо изменением обоих напряжений. Несмотря на малый возможный диапазон изменения этих напряжений эти свойства полевого транзистора существенно расширяют возможности их использования в различных устройствах. В МОП-транзисторах с индуцированным каналом может также использоваться подложка р-типа, в которой будет индуцироваться канал типа (рис. 10.9). Рис. 10.9. Структура и УГО полевого транзистора с индуцируемым каналом типа В исходном состоянии структуры вследствие контактных явлений на границе раздела диэлектрика SiO 2 c полупроводником подложки образуется слой зарядов с электропроводностью типа, те. высоколегированные области уже соединены начальным каналом n- типа, который будет обладать при U зи = 0 некоторой проводимостью. В таком канале путь для тока от истока к стоку уже открыт при U зи = 0. Если U зи < 0, а исток соединен с подложкой, то отрицательное напряжение на затворе будет способствовать обеднению слоя, образующего проводящий канал типа. При некотором значении U зи пор < 0 канал ликвидируется вовсе. Учитывая сказанное, статические характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом типа будут отличаться от таковых для транзистора с индуцируемым каналом типа. Основные отличия стоко-затворная характеристика может пересекать ось тока стока, так как ток стока имеет ненулевое значение при отсутствии управляющего напряжения U зи .; управляющее напряжение может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Анализируя стоко-затворные характеристики транзистора с индуцируемым каналом типа (риса, можно видеть, что этот транзистор также обладает свойствами управляемого ключевого элемента как и транзистор с индуцируемым каналом р-типа см. рис. 10.7). Рис. 10.10. Примерный вид характеристики управления аи выходных характеристик МОП-транзистора с индуцированным каналом типа б) Предлагается самостоятельно составить управляемую ключевую схему на двух транзисторах с индуцируемыми каналами разных типов с общим управлением. Отмеченные выше две характерные особенности МОП-тран- зистора с индуцированным каналом типа позволяют существенно расширить область их использования в электронных устройствах. 10.3. МДП-транзисторы со встроенным каналом МДП-транзисторы со встроенным каналом могут быть с каналом n- или р-типа. Условное изображение таких транзисторов показано на рис. 10.11. Статические характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом типа качественно не отличаются от статических характеристик МОП- транзистора с индуцированным каналом типа. Это же справедливо и для МДП-транзисторов со встроенным каналом р-типа. У транзисторов со встроенным каналом можно получить относительно большие токи – это их преимущество. У всех МДП-транзисторов потенциал подложки относительно истока оказывает влияние на характеристики транзистора. Если на подложку подается потенциал относительно истока, то напряжение между подложкой и истоком должно иметь такую полярность, чтобы р – переход исток- подложка был смещен в обратном направлении. Рис. 10.11. УГО полевых транзисторов со встроенным каналом а) – канал типа (б) – канал р-типа С увеличением напряжения между подложкой и истоком (U пи ) уменьшается действие управляющего напряжения U зи , те. притом же U зи ток стока (I c ) становится меньше (рис. 10.12). Это отражается на положении стокозатворной характеристики с ростом напряжения пиона смещается влево, увеличивая пороговое напряжение открытия транзистора. Возможность изменения состояния МОП-транзистора с помощью дополнительного напряжения, подаваемого на подложку, расширяет функциональные возможности этого прибора. Рис. 10.12. Иллюстрация влияния напряжения пи на характеристики управления МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа 10.4. Способы включения полевого транзистора Способы включения полевых транзисторов в электрическую схему на примере полевого транзистора с управляющим р – переходом и каналом р-типа показаны на рис. 10.13. Рис. 10.13. Схемы включения полевых транзисторов с общим истоком (ОИ); с общим стоком (ОС) – истоковый повторитель (ИП); с общим затвором (ОЗ) 10.5. Полевой транзистор как четырехполюсник В расчетах схем с полевыми транзисторами также используют параметры 4-полюсника: при малых сигналах наиболее удобна система параметров (рис. 10.14). Рис. 10.14. 4-полюсник – расчётный эквивалент полевого транзистора Система уравнений, соответствующая 4-полюснику, имеет вид I 1 = g 11 U 1 + g 12 U 2 ; I 2 = g 21 U 1 + g 22 U 2 (10.7) Коэффициенты данной системы имеют размерности проводимостей и являются универсальными параметрами, но для каждой из схем включения ПТ имеют свои значения. Для схемы ОИ: g 11 – входная проводимость при U 2 = 0; g 12 – проводимость обратной передачи при U 1 = 0; g 21 – проводимость прямой передачи при U 2 = 0; g 22 – выходная проводимость при U 1 = 0. Следует заметить, что режимы U 1 = 0, U 2 = 0 достигаются не коротким замыканием выводов, а включением емкостей (достаточно больших, представляющих малое сопротивление для переменных составляющих. На высоких частотах параметры переходят в параметры, где у = g + С, а ёмкость С определяется по эквивалентной схеме. 10.6. МДП-структуры специального назначения а) структура МНОП ( металл – нитрид – оксид – полупроводник) – это составная часть микросхем памяти (рис. 10.15). Рис. 10.15. Структура МНОП и характеристики управления (1) дои после программирования (пор межпороговая зона) В структуре МНОП диэлектрик двухслойный. Если на затвор подать напряжение +В относительно подложки, то электроны из подложки туннелируют в толстый слой Si 3 N 4 , где образуют область неподвижных отрицательных ионов. Их заряд повышает пороговое напряжение (кривая 2 на рис. 10.15) и может храниться долго (несколько лет) при отключении всех напряжений. Если подать отрицательное напряжение, заряд рассасывается, пороговое напряжение уменьшается (кривая 1). Записывая заряд, мы изменяем сопротивление, которое будет проявляться при пороге U зи ≈ ( 3 ÷ 5 ) В. На МНОП-структурах выполняют запоминающие элементы, которые будут иметь то или иное сопротивление между стоком и истоком. Другим видом структур специального назначения являются приборы с зарядовой связью. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) [18] относятся к приборам с переносом заряда. Конструктивно ПЗС можно представить цепочкой МОП- транзисторов (рис. 10.16) на общем кристалле р-типа. Каждый транзистор своеобразный конденсатор. Размеры электродов – 10 мкм, промежуток между ними 2 – 4 мкм, толщина диэлектрика 0,1 мкм. Рис. 10.16. Схематичная структура ПЗС Характерны два режима работы 1. Хранение информации в виде заряда водном или нескольких конденсаторах 2. Перенос заряда из одного конденсатора вдоль цепочки в следующий (наличие заряда = «1», отсутствие = «0») в цифровой форме, изменение величины заряда – в аналоговой форме. б) МОП-транзисторы с плавающим затвором, (с лавинной инжекцией заряда) (ЛИЗМОП). ЛИЗМОП-транзистор, структура которого изображена на рис. 10.17, хорошо приспособлен для программирования своего состояния. Рис. 10.17. Структура запоминающей ячейки ЛИЗМОП Процесс программирования состоит в следующем. При подаче напряжения на сток или исток (относительно подложки) возникает лавинный пробой р – перехода между р-областью и подложкой. Электроны с повышенной энергией проникают в изолирующий слой и достигают затвора, образуя там отрицательный заряд, который может храниться несколько лет. Наличие этого заряда вызывает появление проводящего канала, соединяющего стоки исток, те. транзистор становится проводящим. Чтобы транзистор стал непроводящим, надо убрать заряд. Делают это путем облучения микросхемы кварцевой лампой через специальное окошко из кварцевого стекла. Такая структура используется для создания запоминающих ячеек в микросхемах памяти запоминающих устройств цифровых схем. в) полевые транзисторы с двумя затворами (тетродные). Наличие второго затвора (рис. 10.18) позволяет одновременно управлять током транзистора с помощью двух управляющих напряжений, что используется для построения различных функциональных схем, например множительных устройств. Рис. 10.18. Изображение ПТ с двумя затворами (МОП-транзистор с встроенным каналом р-типа) Для ПТ с двумя затворами указывают крутизну характеристики по первому и второму затворам, напряжение отсечки первого и второго затвора и т.п. 10.7. Нанотранзисторы Проблемы микроминиатюризации Планарная групповая технология производства ИС добилась впечатляющих успехов в миниатюризации полупроводниковых элементов, в частности транзисторов, размещенных на одном чипе. Физические законы, лежащие в основе работы транзисторов, устанавливают свои пределы на размеры элементов, а технология требует новых подходов и процессов. Одной из основных проблем при переходе к наноразмерам транзисторов является проблема межсо- единений [49]. С уменьшением геометрических параметров линий межсоединений на кристалле возрастают плотность тока и сопротивление, что вызывает разогрев этих линий, изменение их геометрии, причем при плотности тока 10 5 А/см 2 и температуре 210 С токове- дущие дорожки выходят из строя. Время работы межсоединений существенно уменьшается, а надёжность работы чипа резко падает. С увеличением частоты сигналов линии межсоединений становятся волноводными линиями. Оценки показывают, что начиная с частот 10 Гц задержки сигнала, обусловленные волновыми свойствами, становятся сравнимыми со временем переключения транзисторов (Пс. В наноструктурах используются квантовые эффекты токоперено- сане характерные для обычного токопереноса по проводным линиям, поэтому обычные металлические дорожки теряют свое предназначение, а для межсоединений должны быть разработаны нанопро- водники [49]. В настоящие время элементной базой микроэлектроники являются микроэлектронные транзисторы. Основной кремниевой транзисторной структурой в микроэлектронике является кремниевая МДП- структура. Сейчас достигнуты длина канала и затвора около 100 нм, толщина подзатворного слоя (Si0 2 ) составляет 0,8 нм (это три атомных слоя. Это позволило увеличить быстродействие, но обостряет ряд проблем возрастают токи утечек, увеличиваются сопротивления областей сток-исток (увеличивается плотность выделяемой в структуре мощности, растет напряжение переключения. С увеличением напряжения возрастает опасность пробоя подзатворного слоя. Уменьшение длины канала требует увеличения степени легирования в канале до 10 см, а это приводит к снижению подвижности носителей заряда и росту порога включения транзистора [49]. Сейчас ведутся разработки транзисторных структур для субмикронной технологии на 0,13; 0,10; 0,07 мкм, а технология нанометрового диапазона станет промышленной предположительно на ближайшее лет [49]. Некоторые виды транзисторов субмикронной технологии. Проблему масштабирования параметров транзисторов пока предлагается решать в следующих направлениях [49]: 1) КНИ-транзисторы (кремний на изоляторе с ультратонким основанием а) приборы с управляемой проводимостью канала б) транзисторы с двойным затвором в) плавникоподобный полевой транзистор (FinFET); г) одноэлектронные транзисторы Структуры обычного и транзисторов показаны на рис. 10.19. КНИ-транзистор имеет обедненное носителями заряда основание, поэтому в инверсионном слое электрическое поле слабее, следовательно, мощность управления требуется малая. Фирма Intel создала транзистор TeraHertz, в котором основание обеднено полностью, толщина основания 30 нм, за счет этого достигнуто высокое быстродействие и низкая потребляемая мощность. При напряжении 1,3 В, ток стока достигает 650 мкА, а ток утечки составляет 9 нА. Рис. 10.19. Структуры обычного – аи б транзисторов Стоко-затворные характеристики КНИ-транзистора показаны на рис. 10.20. Рис. 10.20. Примерные стоко-затворные характеристики КНИ-транзистора Недостатки КНИ-структур: короткий канал трудно управляется напряжением затвора, требуется высокая степень легирования области истока. Эти недостатки можно частично устранить в транзисторах с двойным затвором. Конструкция такого транзистора имеет вид пластины (плавника, обернутой затворной областью. Эти транзисторы получили название FinFET- транзисторы (плавник) (рис. 10.21). Исток Каналы индуцируются напряжением на затворах вдоль обеих сторон пластины. Трехмерная структура позволяет значительно снизить потери на тепловыделение, ток увеличивается в два раза. Тело транзистора (плавник) имеет толщину нм и высоту 180 нм. Пороговое напряжение В. Затворов может быть два или три. Сток Затворная область Рис. 10.21. Конструктивная схема нанотранзистора стремя затворами 2) Гетеротранзисторы (HЕMT-транзисторы). High Electron Mobility Transistor – это гетероструктурные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов. Наиболее популярным активным элементом такого типа (на гетероструктурах) является канальный полевой транзистор с затвором Шоттки на арсенидгаллиевой (GaAs) структуре (MESFET). Транзисторы этого типа имеют длину канала ≈ 0,13 мкм и работают на частоте 50 ГГц. На основе гетеропереходных ПТ с затвором Шоттки (ГПТШ) созданы СВЧ-транзисторы на переходах AlGaN - GaN. Структура ГПТШ на основе GaN показана на рис. 10.22. Рис. 10.22. Структура транзистора на гетеропереходах 3) Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок. Эти транзисторы имеют меньшие размеры и меньшее потребление по сравнению с другими нанотранзисторами. Углеродная нанотрубка по диаметру меньше толщины человеческого волоса враз. Транзистор формируется на кремниевой подложке, покрытой слоем окисла SiO 2 риса. В Московском институте электронной техники (МИЭТ) проведены исследования макетных образцов нано-транзисторов на основе углеродных трубок [49]. Стоко- затворная характеристика транзистора напоминает классическую характеристику МОП-транзистора со встроенным каналом р-типа рис. 10.23, б. Отмечено, что создание нанотранзисторов на основе единичной нанотрубки является весьма трудоёмким процессом. Рис. 10.23. Структурная схема нанотранзистора на углеродных нанотрубках аи его стокозатворная характеристика б) Транзисторы на основе углеродных нанотрубок считаются перспективными для работы в условиях высоких температур. |