74221

Полевые транзисторы Приборы с зарядовой связью (ПЗС)

Лекция

Физика

При этом уменьшается поперечное сечение канала а следовательно увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение истоксток VDS вызовет ток в цепи канала полевого 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...

Русский

2014-12-30

356.5 KB

1 чел.

Лекция 11,12 Полевые транзисторы Приборы с зарядовой связью (ПЗС)

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

Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р-n перехода. На рисунке 6.20 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 р-n переходов - каналом, а сильно легированные n+ области сверху и снизу - затвором полевого транзистора. Конструктивно ПТ с затвором в виде р-n перехода может быть выполнен с использованием планарной технологии и в различных других вариантах.

При приложении напряжения VGS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение р-n перехода (VGS > 0), происходит расширение обедненной области р-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 р-n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению VGS. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Рис. 6.20. Схематическое изображение полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода

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 р-n перехода на величину Δlоб, равную:

   (6.88)

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:

   (6.89)

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

Тогда из (6.89) следует, что

   (6.90)

Соотношение (6.89) с учетом (6.90) можно переписать в виде:

   (6.91)

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:

   (6.92)

Величина сопротивления dR(y) будет равна:

   (6.93)

Подставим (6.92) в (6.93) и проведем интегрирование по длине канала:

   (6.94)

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

   (6.95)

Здесь Qp(y = 0) = qρ0H - заряд свободных дырок в канале на единицу площади.

Подставляя (6.95) в (6.94) и проведя интегрирование, получаем следующую зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG и стоке VDS для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода:

   (6.96)

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

   (6.97)

Если сравнить соотношение (6.97) с выражением (6.10) для тока стока МДП полевого транзистора в области плавного канала, то видно, что эти выражения совпадают при малых значениях напряжения VDS.

Из (6.91) 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 (6.91) следует, что напряжение отсечки VDS* будет равно:

   (6.98)

Также заметим, что выражение (6.98) 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 (6.98) в (6.96), получаем зависимость тока стока IDS в области отсечки для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода:

   (6.99)

В области отсечки выражение (6.99) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида:

   (6.100)

На рисунке 6.21а, б показаны вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде р-n перехода. Их отличительной особенностью является то, что при напряжении на затворе VG = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.

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

   (6.101)

   (6.102)

Рис. 6.21. Характеристики транзистора КП302Б:
а) выходные характеристики; б) начальные участки выходных характеристик

Выражение (6.102) имеет минимальное значение при ширине обедненной области Δlоб = H/4, при этом граничная частота

   (6.103)

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.

МДП - транзистор

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл - диэлектрик - полупроводник является эффект поля. Напомним, что эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод - затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения присутствуют четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника - обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия. Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от объема подложки слоем обеднения. На рисунке 6.1 приведена топология МДП-транзистора, где этот факт наглядно виден. В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме полупроводника. Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала ток стока и тем самым будет реализован эффект усиления.

Рис. 6.1. Полевой транзистор со структурой металл - диэлектрик - полупроводник

Таким образом, МДП-транзистор является сопротивлением, регулируемым внешним напряжением. К нему даже в большей степени, чем к биполярным приборам, подходит историческое название "транзистор", так как слово "transistor" образовано от двух английских слов - "transfer" и "resistor", что переводится как "преобразующий сопротивление" [26, 30].

6.1. Характеристики МОП ПТ в области плавного канала

Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП, схема которого приведена на рисунке 6.2. Координата z направлена вглубь полупроводника, y - вдоль по длине канала и х - по ширине канала. Получим вольт-амперную характеристику такого транзистора при следующих предположениях:

1. Токи через р-n переходы истока, стока и подзатворный диэлектрик равны нулю.
2. Подвижность электронов μ
n постоянна по глубине и длине L инверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе VGS и на стоке VDS.
3. Канал плавный, то есть в области канала нормальная составляющая электрического поля Е
z существенно больше тангенциальной Еy.

Рис. 6.2. Схема МДП-транзистора

Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке р-типа, обусловлен свободными электронами, концентрация которых n(z). Электрическое поле Еу обусловлено напряжением между истоком и стоком VDS. Согласно закону Ома, плотность тока

   (6.1)

где q - заряд электрона, μn - подвижность электронов в канале, V - падение напряжения от истока до точки канала с координатами (x, y, z).

Проинтегрируем (6.1) по ширине (x) и глубине (z) канала. Тогда интеграл в левой части (6.1) дает нам полный ток канала IDS, а для правой части получим:

   (6.2)

Величина есть полный заряд электронов в канале на единицу площади . Тогда

   (6.3)

Найдем величину заряда электронов Qn. Для этого запишем уравнение электронейтральности для зарядов в МДП-транзисторе на единицу площади в виде:

   (6.4)

Согласно (6.4) заряд на металлическом электроде Qm уравновешивается суммой зарядов свободных электронов Qn и ионизованных акцепторов QB в полупроводнике и встроенного заряда в окисле Qox. На рисунке 6.3 приведена схема расположения этих зарядов. Из определения геометрической емкости окисла Сox следует, что полный заряд на металлической обкладке МДП-конденсатора Qm равен:

   (6.5)

где Vox - падение напряжения на окисном слое, Сox - удельная емкость подзатворного диэлектрика.

Поскольку падение напряжения в окисле равно Vox, в полупроводнике равно поверхностному потенциалу ψs, а полное приложенное к затвору напряжение VGS, то

   (6.6)

где Δφms - разность работ выхода металл - полупроводник, ψs0 - величина поверхностного потенциала в равновесных условиях, т.е. при напряжении стока VDS = 0.

Рис. 6.3. Расположение зарядов в МДП-транзисторе

Из (6.4), (6.5) и (6.6) следует:

   (6.7)

Поскольку в области сильной инверсии при значительном изменении напряжения на затворе VGS величина поверхностного потенциала меняется слабо, будем в дальнейшем считать ее постоянной и равной потенциалу начала области сильной инверсии ψs0 = 2φ0. Поэтому будем также считать, что заряд акцепторов QB не зависит от поверхностного потенциала. Введем пороговое напряжение VТ как напряжение на затворе VGS, соответствующее открытию канала в равновесных условиях: VT ≡ VGSs = 2φ0, VDS = 0).

При этом Qn(VDS = 0) = 0.

Из (6.7) следует, что

   (6.8)

Тогда с учетом (6.8)

   (6.9)

Подставляя (6.9) в (6.3), разделяя переменные и проведя интегрирование вдоль канала при изменении y от 0 до L, а V(y) от 0 до VDS, получаем:

   (6.10)

Уравнение (6.10) описывает вольт-амперную характеристику полевого транзистора в области плавного канала.

6.2. Характеристики МОП ПТ в области отсечки

Как следует из уравнения (6.9), по мере роста напряжения исток сток VDS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т.е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию:

   (6.11)

Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то смыкание канала, или отсечка, произойдет у стока. Напряжение стока VDS, необходимое для смыкания канала, называется напряжением отсечки VDS*. Величина напряжения отсечки определяется соотношением (6.11). На рисунке 6.4 показаны оба состояния - состояние плавного канала и отсеченного канала. С ростом напряжения стока VDS точка канала, соответствующая условию отсечки (6.11), сдвигается от стока к истоку. В первом приближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки падает одинаковое напряжение VDS* = VGS - VT, не зависящее от напряжения исток сток. Эффективная длина плавного канала L' от истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L и обычно ΔL = L - L'. Это обуславливает в области отсечки в первом приближении ток стока IDS, не зависящий от напряжения стока VDS. Подставив значение напряжения отсечки VDS* из (6.11) в (6.10) вместо значения напряжения стока VDS, получаем для области отсечки выражение для тока стока:

   (6.12)

Соотношение (6.12) представляет собой запись вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в области отсечки. Зависимости тока стока IDS от напряжения на затворе VGS называются обычно переходными характеристиками (рис. 6.5), а зависимости тока стока IDS от напряжения на стоке VDS - проходными характеристиками транзистора.

   (6.13)

Рис. 6.4. Зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке VDS для МОП ПТ при различных напряжениях на затворе. Пороговое напряжение VT = 0,1 В. Сплошная линия - расчет по (6.10) и (6.12), точки - экспериментальные результаты

При значительных величинах напряжения исток-сток и относительно коротких каналах (L = 10÷20 мкм) в области отсечки наблюдается эффект модуляции длины канала. При этом точка отсечки смещается к истоку и напряжение отсечки VDS* падает на меньшую длину L' канала. Это вызовет увеличение тока IDS канала. Величина напряжения ΔV, падающая на участке ΔL от стока отсечки, будет равна:

Поскольку напряжение ΔV падает на обратносмещенном p-n+ переходе, его ширина ΔL будет равна:

   (6.14)

Ток канала равен IDS0, когда напряжение исток-сток VDS = VDS* = VGS - VT равно напряжению отсечки и величина ΔL = 0. Обозначим IDS ток стока при большем напряжении стока: VDS > VDS*.

Тогда

   (6.15)

Следовательно, ВAX МДП-транзистора с учетом модуляции длины канала примет следующий вид:

   (6.16)

Рис. 6.5. Зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VGS в области плавного канала при VDS = 0,1 B - кривая 1; зависимость корня из тока стока IDS1/2 от напряжения на затворе в области отсечки - кривая 2

Эффект модуляции длины канала оказывает большое влияние на проходные характеристики МДП-транзистора с предельно малыми геометрическими размерами.

6.4. Малосигнальные параметры

Для МДП-транзистора характерны следующие малосигнальные параметры: крутизна характеристики S, внутреннее сопротивление Ri, коэффициент усиления μ. Крутизна переходной характеристики S определяется как

   (6.19)

и характеризуется изменением тока стока при единичном увеличении напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Внутреннее сопротивление Ri определяется как

   (6.20)

и характеризует изменение напряжения в выходной цепи, необходимое для единичного увеличения тока стока при неизменном напряжении на затворе.

Коэффициент усиления μ определяется как

   (6.21)

и характеризуется изменением напряжения в выходной цепи при единичном изменении напряжения во входной и неизменном токе стока. Очевидно, что в области плавного канала крутизна S и дифференциальное сопротивление Ri будут иметь значения:

   (6.22)

При этом коэффициент усиления μ, равный их произведению, всегда меньше единицы:

Таким образом, необходимо отметить, что полевой МДП-транзистор как усилитель не может быть использован в области плавного канала.

Сравним дифференциальное сопротивление Ri и омическое сопротивление R0, равное Ri = VDS/IDS в области плавного канала. Величина R0 равна: .

Отметим, что дифференциальное сопротивление транзистора в области Ri совпадает с сопротивлением R0 канала МДП-транзистора по постоянному току. Поэтому МДП-транзистор в области плавного канала можно использовать как линейный резистор с сопротивлением R0. При этом величина сопротивления невелика, составляет сотни Ом и легко регулируется напряжением.

Рассмотрим напряжения для малосигнальных параметров в области отсечки. Из (6.12) и (6.19) следует, что крутизна МДП-транзистора

Из (6.23) следует, что крутизна характеристики определяется выбором рабочей точки и конструктивно-технологическими параметрами транзистора.

Величина в получила название "удельная крутизна" и не зависит от выбора рабочей точки. Для увеличения крутизны характеристики необходимо: уменьшать длину канала L и увеличивать его ширину W; уменьшать толщину подзатворного диэлектрика dox или использовать диэлектрики с высоким значением диэлектрической проницаемости εox; использовать для подложки полупроводники с высокой подвижностью μn свободных носителей заряда; увеличивать напряжение на затворе VDS транзистора.

Динамическое сопротивление Ri в области отсечки, как следует из (6.12) и (6.20), стремится к бесконечности: Ri → ∞, поскольку ток стока от напряжения на стоке не зависит. Однако эффект модуляции длины канала, как было показано, обуславливает зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке VDS в виде (6.16). С учетом модуляции длины канала величина дифференциального сопротивления Ri будет равна:

Коэффициент усиления μ в области отсечки больше единицы, его величина равна:

   (6.24)

Для типичных параметров МОП-транзисторов

Получаем омическое сопротивление в области плавного канала Ri = R0 = 125 Ом. Величины дифференциального сопротивления Ri и усиления μ в области отсечки будут соответственно равны: Ri = 5 кОм, μ = 40.

Аналогично величине крутизны характеристики по затвору S можно ввести величину крутизны переходной характеристики S' по подложке, поскольку напряжение канал-подложка также влияет на ток стока.

   (6.25)

Подставляя (6.12) в (6.25), получаем:

   (6.26)

Соотношение (6.26) с учетом (6.8) и (6.17) позволяет получить в явном виде выражение для крутизны передаточных характеристик МДП транзистора по подложке S'. Однако поскольку в реальных случаях dVT/dVSS < 1, крутизна по подложке S' ниже крутизны по затвору S.

6.5. Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора

Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рисунке 6.8. Здесь Rвх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость Свх - емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор-исток. Паразитная емкость Спар обусловлена емкостью перекрытий затвор-сток. Выходное сопротивление Rвых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость Свых определяется емкостью р-n перехода стока. Генератор тока i1 передает эффект усиления в МДП-транзисторе.

Рис. 6.8. Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора

Определим быстродействие МДП-транзистора исходя из следующих соображений. Пусть на затвор МДП-транзистора, работающего в области отсечки, так что VGS = VDS = Vпит, подано малое переменное напряжение ú = u0sin(ωt).

Тогда за счет усиления в стоковой цепи потечет ток i1, равный:

   (6.27)

Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитный ток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:

   (6.28)

С ростом частоты выходного сигнала f паразитный ток будет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления. Определим граничную частоту работы МДП-транзистора f = fмакс, когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):

   (6.29)

Поскольку напряжение исток-сток VDS порядка напряжения VGS - VT, то, используя определение дрейфовой скорости

   (6.30)

можно видеть, что предельная частота усиления fмакс определяется временем пролета τ электронов через канал транзистора:

   (6.31)

Оценим быстродействие транзистора.

Пусть μn = 500 см2/В·с, длина канала L = 10 мкм = 10-3 см, напряжение питания Vпит = 10 В. Подставляя эти значения в (6.29), получаем, что максимальная частота для МДП-транзистора составляет величину порядка fмакс ≈ 1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратно пропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.

6.6. Методы определения параметров МОП ПТ из характеристик

Покажем, как можно из характеристик транзистора определять параметры полупроводниковой подложки, диэлектрика и самого транзистора. Длину канала L и ширину W обычно знают из топологии транзистора. Удельную емкость подзатворного диэлектрика Сox, а следовательно, и его толщину находят из измерения емкости C-V затвора в обогащении. Величину порогового напряжения VT и подвижность μn можно рассчитать как из характеристик в области плавного канала (6.10), так и из характеристик транзистора в области отсечки (6.12). В области плавного качала зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VGS - прямая линия. Экстраполяция прямолинейного участка зависимости IDS(VGS) к значению IDS = 0 соответствует, согласно (6.10),

   (6.32)

Тангенс угла наклона tg(α) зависимости IDS(VGS) определяет величину подвижности μn:

   (6.33)

В области отсечки зависимость корня квадратного из тока стока IDS от напряжения на затворе VGS также, согласно (6.12), должна быть линейной. Экстраполяция этой зависимости к нулевому току дает пороговое напряжение VT.

Тангенс угла наклона tg(α) зависимости IDS1/2(VGS) определит величину подвижности μn:

   (6.34)

На рисунке 6.5 были приведены соответствующие зависимости и указаны точки экстраполяции. Для определения величины и профиля легирования NA(z) пользуются зависимостью порогового напряжения VT от смещения канал-подложка VSS. Действительно, как следует из (6.18), тангенс угла наклона tg(α) зависимости определяет концентрацию легирующей примеси. Зная толщину окисла и примерное значение NA (с точностью до порядка для определения 2φ0), из (6.18) можно рассчитать величину и профиль распределения легирующей примеси в подложке МДП-транзистора:

   (6.35)

Эффективная глубина z, соответствующая данному легированию, равна:

   (6.36)

Таким образом, из характеристик МДП-транзистора можно рассчитать большое количество параметров, характеризующих полупроводник, диэлектрик и границу раздела между ними.

6.12. МДП-транзистор как элемент памяти

Рассмотрим RC-цепочку, состоящую из последовательно соединенных нагрузочного сопротивления RH ≈ 1 МОм и полевого транзистора с изолированным затвором, приведенную на рисунке 6.15а, б. Если в такой схеме МДП-транзистор открыт, сопротивление его канала составляет десятки или сотни Oм, все напряжение питания падает на нагрузочном сопротивлении RН и выходное напряжение Uвых близко к нулю.

Рис. 6.15. Схема, поясняющая работу МДП-транзистора в качестве элемента запоминающего устройства
а) открытое состояние; б) закрытое состояние

Если МДП-транзистор при таком соединении закрыт, сопротивление между областями истока и стока велико (сопротивление р-n перехода при обратном включении), все напряжение питания падает на транзисторе и выходное напряжение Uвых близко к напряжению питания Uпит. Как видно из приведенного примера, на основе системы резистор - МДП-транзистор легко реализуется элементарная логическая ячейка с двумя значениями: ноль и единица. Реализовать такую схему можно несколькими вариантами. В одном из них выбирается МДП-транзистор со встроенным каналом и при напряжении на затворе, равном нулю, реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке 6.15а.

После подачи на затвор напряжения VG транзистор закрывается и реализуется условие, показанное на рисунке 6.15б. В другом варианте выбирается МДП-транзистор с индуцированным каналом и при напряжении на затворе VG, равном нулю, транзистор закрыт и реализуется случай, приведенный на рисунке 6.15б. При подаче на затвор обедняющего напряжения транзистор открывается и реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке 6.15а.

Одним из недостатков приведенной элементарной ячейки информации является необходимость подведения на все время хранения информации напряжения к затворному электроду. При отключении напряжения питания записанная информация теряется. Этого недостатка можно было бы избежать, если в качестве МДП-транзистора использовать такой транзистор, у которого регулируемым образом можно было бы менять пороговое напряжение VT. Тогда при положительном пороговом напряжении VT > 0 (n-канальный транзистор) МДП-транзистор закрыт и реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке 6.18б. При отрицательном пороговом напряжении VT < 0 МДП-транзистор закрыт и реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке 6.18а.

6.13. МНОП-транзистор

Величина порогового напряжения VT определяется уравнением (6.64). Как видно из этого уравнения, для изменения величины порогового напряжения VT необходимо:

а) изменить легирование подложки NA (для изменения объемного положения уровня Ферми φ0, разности paбот выхода φms, заряда акцепторов в области обеднения QВ);
б) изменить плотность поверхностных состояний N
ss;
в) изменить встроенный в диэлектрик заряд Q
ох;
г) изменить напряжение смещения канал подложка V
SS (для изменения заряда акцепторов QВ в слое обеднения). Поскольку информацию в ячейку необходимо перезаписывать многократно, случаи а) и б) для этого оказываются непригодными. Случай г) не подходит вследствие того, что при отключении напряжения информация не сохраняется. Таким образом, для реализации энергонезависимого репрограммируемого полупроводникового запоминающего устройства (РПЗУ) необходим МДП-транзистор, в котором обратимым образом было бы возможно изменять пороговое напряжение VT за счет изменения встроенного в диэлектрик заряда Qох.

Наиболее распространенными РПЗУ, в которых реализован этот принцип, являются РПЗУ на основе полевых транзисторов со структурой металл - нитрид - окисел - полупроводник (МНОП транзисторы) и на основе полевых транзисторов с плавающим затвором.

На рисунке 6.16а, б приведена схема, показывающая основные конструктивные элементы МНОП ПТ и МОП ПТ с плавающим затвором.

В МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное покрытие. В качестве первого диэлектрика используется туннельно прозрачный слой (dox < 50 A) двуокиси кремния. В качестве второго диэлектрика используется толстый (d ≈ 1000 A) слой нитрида кремния. Нитрид кремния Si3N4 имеет глубокие ловушки в запрещенной зоне и значение диэлектрической постоянной εSi3N4 в два раза более высокое, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния SiO2. Ширина запрещенной зоны нитрида Si3N4 меньше, чем ширина запрещенной зоны окисла SiO2.

Рис. 6.16. Топология полупроводниковых запоминающих устройств:
а) МНОП-транзистор; б) МОП ПТ с плавающим затвором

На рисунке 6.17а приведена зонная диаграмма МНОП-транзистора. Рассмотрим основные физические процессы, протекающие в МНОП-транзисторе при работе в режиме запоминающего устройства. При подаче импульса положительного напряжения +VGS на затвор вследствие разницы в величинах диэлектрических постоянных окисла и нитрида в окисле возникает сильное электрическое поле. Это поле вызывает, как показано на рисунке 6.17б, туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид. Инжектированные электроны захватываются на глубине уровня ловушек в запрещенной зоне нитрида кремния, обуславливая отрицательный по знаку встроенный в диэлектрик заряд. После снятия напряжения с затвора инжектированный заряд длительное время хранится на ловушечных центрах, что соответствует существованию встроенного инверсионного канала. При подаче импульса отрицательного напряжения -VGS на затвор происходит туннелирование электронов с ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника, как показано на рисунке 6.17в. При снятии напряжения с затвора зонная диаграмма МНОП-структуры снова имеет вид, как на рисунке 6.17а, и инверсионный канал исчезает.

Оценим величину инжектированного заряда, необходимую для переключения МНОП-транзистора. Пусть величина ΔVT = 10 В, dSi3N4 = 1000 A, εSi3N4 = 6.

   (6.84)

Подставив численные значения в (6.84), получаем ΔNox ≈ 3·1011 см-2. Считая, что захват идет в энергетический интервал 1 эВ в запрещенной зоне нитрида и в слой толщиной 100 A, получаем, что энергетическая плотность объемных ловушек Nt в нитриде должна быть порядка 2·1018 см-3·эВ-1.

Рис. 6.17. Зонная диаграмма МНОП-транзистора:
а) напряжение на затворе равно нулю, ловушки не заполнены; б) запись информационного заряда; в) стирание информационного заряда

6.15. Приборы с зарядовой связью

Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рисунке 6.19 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП-структур. Величина зазора между соседними МДП-структурами невелика и составляет 1-2 мкм. ПЗС-элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому.

Рис. 6.19. Устройство и принцип работы приборов с зарядовой связью

Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения VG1 на затвор 1-го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полупроводнике р-типа это соответствует формированию под затвором 1-го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времени t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов τген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС-элементах должны проходить за времена меньше τген. Пусть в момент времени t1 >> τген в ОПЗ под затвор 1-го элемента инжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов (рис. 6.19б). Теперь в момент времени t2 > t1, но t2 << τген на затвор 2-го ПЗС-элемента подадим напряжение VG2 > VG1, способствующее формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2-го элемента. Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1-м элементом в ОПЗ под вторым элементом, как показано на рисунке 6.19в. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2-го ПЗС-элемента, напряжение на затворе VG1 снимается, а на затворе VG2 уменьшается до значения, равного VG1 (см. рис. 6.19г). Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС-элемента. Для того, чтобы приборы с зарядовой связью эффективно функционировали, необходимо, чтобы время передачи tпер от одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (tпер << τген). Не должно быть потерь информационного заряда в ОПЗ вследствие захвата на поверхностные состояния, в связи с чем требуются МДП-структуры с низкой плотностью поверхностных состояний (Nss ≈ 1010 см-2·эВ-1) [21, 13, 11, 26].


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16987. Побудова діаграм 308 KB
  Практична робота №15 Тема: Побудова діаграм. Мета: Навчитися будувати діаграми змішаного типу та кругові діаграми. Обладнання: ПЕОМ. Табличний процесор MS Excel. Хід виконання Правила ТБ Індивідуальне завдання 1. За даними табл. 3 побудувати діаграму зміша...
16988. Фільтрація даних. Критерії фільтрації 1.03 MB
  Практична робота №16 Тема: Фільтрація даних. Критерії фільтрації. Мета: Навчитися використовувати фільтрацію даних та навчитися використовувати Автофильтр та Расширенный фильтр. Обладнання: ПЕОМ. Табличний процесор MS Excel. Хід виконання Правила ТБ Інд
16990. Рішення задач матричної і векторної алгебри в Maple 356.5 KB
  Практична робота №30. Тема: Рішення задач матричної і векторної алгебри в Maple. Мета: Навчитися обчислювати визначників вирішувати системи лінійних рівнянь методом Крамера і матричним способом а також знаходити значення матричного многочлена використовуючи можлив
16991. Диференціальне і інтегральне числення функцій одного і декількох змінних в Maple 430.5 KB
  Практична робота №31. Тема: Диференціальне і інтегральне числення функцій одного і декількох змінних в Maple. Мета: Навчитися обчислювати межі часткову суму послідовностей похідні функцій і інтеграли в середовищі Maple. Обладнання: ПК зі встановленим математичним па
16992. Команди MS-DOS: cls, date, time, copy, del, dir, find, mem, mkdir, label, rd 72.5 KB
  Практична робота №1 Тема: Команди MSDOS: cls date time copy del dir find mem mkdir label rd. Мета: навчитися використовувати основні команди MSDOS при роботі з ОС. Устаткування: ПК. Операційна система MSDOS та Windows. Правила ТБ. Методичні рекомендації. Індивідуальне завда
16993. Профілі обладнання.Створення командних файлів 78.5 KB
  речка Ю.Г. Варіант 4 ВПЗ 2ПМС07 Практична робота №3 Тема: Профілі обладнання.Створення командних файлів. Мета: Навчитися створювати профілі обладнання та тривіальні команд
16994. Створення командних файлів. Створення файлів config.sys, autoexec.bat 36.5 KB
  Практична робота №3 Тема: Створення командних файлів. Створення файлів config.sys autoexec.bat. Мета: Навчитися створювати тривіальні командні файли; створювати файли config.sys autoexec.bat. Устаткування: ПК. Операційна система MSDOS та Windows. Хід роботи I. Слідуючи вказівкам напиш...
16995. Робота з файловими менеджерами для ОС MS-DOS. Настройка і створення меню користувача 294.5 KB
  Практична робота №2 Тема: Робота з файловими менеджерами для ОС MSDOS. Настройка і створення меню користувача. Мета: Навчитися працювати з каталогами файлами а також створювати і настроювати меню користувача. Устаткування: ПК. Файловий менеджер NC операційна система M...