Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
снизиться из-за возрастающих трудностей конструирования и производства
интегральных схем такого большого объема. Однако есть основания полагать,
что к 1990 г. сложность интегральных схем будет составлять 10е и более
компонентов на кристалл при характерном размере отдельного элемента ч<Л
мкм (рис. 2) [15]. На рабочие характеристики МОП-транзисторов таких малых
размеров могут существенно влиять так называемые короткоканальные
эффекты: двумерный характер распределения потенциала под затвором,
насыщение дрейфовой скорости носителей в сильных электрических полях,
зарядка окисла и т. д.
В настоящее время для улучшения тех или иных рабочих характеристик
предложено довольно большое число различных структурных модификаций МОП-
транзисторов. Особенности работы некоторых, наиболее представительных из
них описаны ниже. Мы рассмотрим также работу специальных МОП-транзи-
сторных структур с многослойным затвором, которые используются в
настоящее время в качестве основного элемента энергонезависимых
полупроводниковых запоминающих устройств.
8.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Основная структура полевого транзистора металл-окисел- полупроводник
(МОП-транзистора) показана на рис. 3. Этот четырехполюсный прибор состоит
из полупроводниковой подложки
подложки
Рис. 3. Схема структуры МОП-транзистора [4].
8
Глава 8
р-типа, в которой сформированы (например, с помощью ионной имплантации)
две высоколегированные п+ -области - сток и исток 1. Металлический
электрод, отделенный от подложки слоем окисла, называется затвором. В
последнее время в качестве затвора используются высоколегированный
поликремний, а также некоторые комбинации поликремния и силицидов.
Основными параметрами структуры являются длина канала L - расстояние
между металлургическими границами /г+-/7-переходов стока и истока, ширина
канала Z, толщина слоя изолятора d, глубина переходов /7 и уровень
легирования подложки NA. В кремниевых интегральных схемах отдельный МОП-
транзистор окружен в целях изоляции областью с толстым слоем окисла,
который называется пассивирующим или полевым (в отличие от тонкого слоя
подзатворного окисла).
Рассматривая работу прибора, мы будем все напряжения отсчитывать от
потенциала истока, т. е. считать его заземленным. Когда напряжение на
затворе отсутствует, электрическая цепь исток - сток представляет собой
два п+-/7-перехода, включенных навстречу друг другу. При этом в ней может
протекать очень малый ток, равный току утечки обратносмещенного перехода
2. Если же к затвору приложено достаточно большое положительное
напряжение, у границы с диэлектриком образуется инверсионный слой или
канал, соединяющий п+ -области стока и истока. Проводимость этого
инверсионного канала модулируется при изменении напряжения на затворе.
Тыловой контакт к подложке может находиться либо под тем же опорным
потенциалом, что и исток, либо под напряжением, соответствующим обратному
смещению п+-/7-перехода исток-подложка. Напряжение обратного смещения
подложки также влияет на проводимость инверсионного капали
8.2.1. Неравновесные условия
Когда между стоком и истоком транзистора приложено напряжение, МОП-
структура оказывается в неравновесных условиях. При этом квазиуровень
Ферми неосновных носителей (в данном случае электронов) оказывается ниже
равновесного уровня Ферми. На рис. 4 приведены двумерные зонные
диаграммы, соответствующие различным режимам работы МОП-транзистора,
который для удобства показан развернутым на 90° (рис. 4, а) [16]. Зонная
1 Это так называемый я-канальный прибор. Для анализа работы ^-
канального МОП-транзистора следует просто поменять местами индексы п и р,
а также изменить полярность приложенных напряжений.
2 Здесь рассматривается работа нормально закрытого "-канального МОП"
транзистора (обогащенного типа). Работа МОП-транзисторов других типов
описана в последующих разделах.
МОП- транзисторы
9
Ес
Е|
Ev
Исток
Затвор
Обедненная
область
Рис. 4. Двумерная зонная диаграмма "-канального МОП-транзистора [16].
а - конфигурация прибора; б - равновесная зонная диаграмма (плоские зоны,
НУЛ(r)* вое смещение подложки); в - равновесная зонная диаграмма при
инвертирующем смещении на затворе; г - неравновесная ситуация (напряжения
поданы на затвор и сто" структуры).
10
Глава 8
схема на рис. 4, б соответствует равновесным условиям (VD = 0),
отсутствию обратного смещения на подложке (VBS = 0) и нулевому напряжению
на затворе (VG = 0, плоские зоны). На рис. 4, в показана также
равновесная ситуация, но уже с инвертированной границей раздела (VG > 0),
Неравновесная ситуация, когда соответствующие положительные напряжения
приложены и к затвору, и к стоку, показана на рис. 4, г. Штриховыми
линиями показаны дырочный и электронный квазиуровки Ферми. В то время как
дырочный квазиуровень Ферми EFp не зависит от координат (остается равным
равновесному уровню Ферми в объеме подложки), электронный квазиуровень
Ферми ЕРп уменьшается по мере приближения к стоку. Из рис. 4, г видно
