Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
равновесных усилий без напряжения на затворе или стоке. В середине: для
инвертированной поверхности. Внизу: приложено
большое напряжение стока, такое, что течет туннельный ток [JI. 35].
Исток
№1 >uT,uD=o
7. Полевой транзистор с плавающим затвором - элемент памяти
¦Если затвор обычного полевого транзистора модифщировать введением
дополнительного металл - полупроводникового "сэндвича" (плавающий
затвор), новая структура может служить элементом памяти, длительно
сохраняющим накопленный заряд {Л. 39].
Схематически рисунок полевого транзистора с плавающим затвором, который
является в основном р-канальным прибором в режиме обогащения, представлен
на рис. 29. Затвор выполнен в виде сэндвич а: изолятор 1(1) , металл
М\1), изолятор 1.(2) и металл N1(2). Соответствующая зонная диаграмма
затвора дана иа рис. 30. Если толщина 1(1) достаточно мала, так что
возможен контролируемый полем механизм перехода электронов, такой, как
туннелирование или внутренняя полевая эмиссия, то положительное смещение
на М(2) относительно полупроводника вызовет накопление электронов в
плавающем затворе М(1) при условии, что перемещение электронов через 1(2)
мало. Эти условия могут быть выполнены подбором 1(1) и 1(2) таким
образом, что отношение диэлектриче-
Рис. -29. Разрез структуры МДП-трапзистора с плавающим затвором: I (1) и
/ (2) - изоляторы; М (1) - металли-
5 ческий электрод плавающего затвора, М (2) - внешний электрод затвора
[Л. 39].
затвора,
1 - полупроводник п-типа; 2 - омический контакт к истоку; 3 - контакт к
плавающему затвору; 4 - омический контакт к стоку; 5 - изолятор.
Полупроводник 1(1) Mil) 1(2)
M(2)
IQ м
в
-|l-d/ (?,)
ив>о
'////////Л
-"
а)
(Ц)
ип=о
ских проницаемостей eife мало и (или) высота барьера в 1(1) мен:ше, чем в
1(2). Кроме того, толщина М,(1) должна быть достаточно большой, чтобы
эмиттированные электроны были бы близки к уровню Ферми металла М(1),
прежде чем достигнут 1(2); толщина 1(2) должна быть большой, с тем чтобы
не допустить переноса носителей через него.
Заряд Q, накопленный за время, когда на "сэндвич" подается ступенчатое
напряжение с амплитудой Ua, запишется в виде
t
Q (t) = J Jdt', к/см*. (52)
о
Если имеет место эмиссия типа туннелирования согласно Фаулеру - Норд-
хейму, тогда плотность тока J равна:
•/=Ci<gzexp (-<§о/<§), (53)
где <§ - напряженность электрического поля; С( и <§ о - константы,
зависящие от эффективной массы и высоты барьера.
Мы пренебрегаем эффектами, обусловленными зеркальными силами, понижающими
барьер и т. д., но предполагаем неизменность существенных свойств даже
лосле введения поправок. Такой механизм 'Переноса тока имеет место в Si02
и АЬОз- Если наблюдается внутренняя полевая эмиссия типа Шоттки или
Френкель - Пуля, как в Si3N4, то плотность тока рассчитывается как
Рис.
б)
30. Энергетические данные диаграммы МДП-транзистора с плавающим затвором.
а - энергетическая зонная диаграмма структуры затвора, когда к внешнему
электроду затвора приложено положительное напряжение: б - энергетическая
зонная диаграмма структуры затвора после снятия напряжения {JI. 39].
/ = С2с? ехр"[-'q (Фв - VqS/ns/)/kT], (54)
где С2 - константа, зависящая от плотности ловушек в изоляторе; Фв -
высота барьера в вольтах; ei-динамическая диэлектрическая постоянная.
Электрическое поле в 1(1) есть функция приложенного напряжения Uо и Q(i)
и может быть получено из требования непрерывности смещения
^ ^1+^г(е1/ег) Ei + ег (djd^) ^ ^
где dt и dz - толщины 1(1) и 1(2) соответственно.
На .рис. 31,а доказаны результаты численного расчета уравнений (52),
.(53) и .(55) для следующих значений входящих параметров:
di='50 А, 61 = 3,8 бо (для Si02), d2='l ООО А, е2=30 ес (для Zr02)
и O'g=50 в. Легко заметить, что первоначально накопленный заряд
увеличивается линейно со временем и затем насыщается. Ток в течение
короткого .промежутка времени почти постоянен, а затем быстро падает.
Поле в /(/) уменьшается незначительно с течением времени. 'Полученные
результаты могут быть объяснены следующим образом. Когда в момент времени
t-0 приложен импульс наиря-
Рис. 31. Характеристики электрического заряда тока и поля в МДП-
транзисторе с плавающим затвором.
а - теоретическая зависимость величины накопленного заряда в М (/), тока
в / (/) и электрического поля в / (1)
о
в зависимости от времени для di=50 А,
о
d2=1 000 A, ei=3,8e0, e2=30eo прн t/G= =50 в\ б - теоретическая
зависимость накопленного заряда Q от времени для тех же, что и в рис. 31
,с, 8i и в2, для
о о
c?i-Ю A, d2-100 А (сплошные линии);
о о
di~30 A, di-300 А (пунктирные линии); в - теоретические зависимости
плотности накопленного заряда от времени
для d,=20 A, 8i=6ec (Si3N4), d2=200 А, c2=308o (Zr02) для различных
приложенных напряжений [JI. 39].
жеяия, начальный заряд равен нулю, а начальное электрическое поле в
изоляторе /(/) имеет максимальную величину, <§таэс= *?/о/[^1+,(61/62)^2].
Когда Q мало, тогда <§ по существу не меняется, ток ю свою очередь тоже
