книги / Физические основы микро- и нанотехнологий

где W – толщина образованного канала;

а– расстояние между границей раздела подложка – n-карман

иn-карман – р-карман;

ε, ε0 – диэлектрическая проницаемость соответственно материала полупроводника и вакуума;

Uз – модуль напряжения на затворе; е – заряд электрона;

N – концентрация примеси, см–3.

Приняв W = 0, можно найти напряжение отсечки, при котором обедненный слой перекрывает весь канал и ток в канале прекращается:

U0 = (eN2εε0 )a2 .

При подаче потенциала между истоком и стоком через канал протекает ток и напряжение на р–n-переходе будет меняться, возрастая вблизи стока, что приведет к несимметричному уменьшению ширины канала. При достижении напряжения отсечки образуется «горловина», однако вместо отсечки тока происходит отсечка его приращения, т.е. насыщение тока. Ток стока при этом уменьшается. Ток течет и при нулевом потенциале на затворе, а сам потенциал может иметь только одну полярность – в данном случае отрицательную. В другом случае р–n-переход будет включен в прямом направлении, начнется инжекция неосновных носителей и транзистор перестанет быть униполярным прибором.

3.4.3. Устройство и принцип действия полевого транзистора с МДП-структурой

Свое название этот тип полевых транзисторов получил из-за своей структуры: металл-диэлектрик-полупроводник. Поскольку в качестве диэлектрика обычно используется окисел, то их называют МОП-транзисторами. Каждый прибор состоит из подложки и расположенных в ее объеме двух сильно легированных противоположной относительно подложки примесью областей (называемых истоком

171

и стоком и обычно геометрически симметричных, хотя и необязательно) и металлического затвора, расположенного на поверхности тонкого (порядка 0,1 мкм и менее) слоя диэлектрика (обычно окисла материала подложки), как это показано на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Структура МДП-транзистора: 1 – окисел; 2 – подложка р-типа

Принцип действия полевого МДП-транзистора основан на эффекте изменения электропроводности поверхностного слоя полупроводника между истоком и стоком под действием напряжения, приложенного к управляющему электроду – затвору, отделенному от поверхности полупроводника тонким слоем диэлектрика. Участок полупроводника с изменяющейся электропроводностью называется каналом и изображается на чертежах в виде тонких скрещенных линий.

Существует две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и встроенным каналом. В МДП-транзисторе с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует. В МДП-транзисторе со встроенным каналом он создан технологическими средствами и присутствует всегда. Поскольку технология транзисторов с индуцированным каналом проще, они имеют преимущественное распространение.

При подаче потенциала между истоком и стоком ток в цепи отсутствует, так как обязательно один из имеющихся р–п-переходов будет включен в обратном направлении и заперт. Если подать на затвор отрицательный потенциал, то приповерхностный слой на границе раздела подложка – диэлектрик обогатится дырками и ситуация

172

не изменится. При подаче положительного потенциала основные носители подложки – дырки – будут оттесняться электрическим полем

вподложку, а неосновные – электроны – начнут подтягиваться к границе раздела. При увеличении потенциала на затворе приповерхностный слой будет все более обедняться основными носителями заряда и обогащаться неосновными.

При каком-то значении потенциала (называемом пороговым) концентрация электронов превысит концентрацию дырок, произойдет инверсия (изменение типа проводимости) канала, и через него потечет ток. Толщина канала в современных МДП-транзисторах составляет порядка 100 Å.

Необходимо соблюдение точного расположения металлической обкладки затвора над областью канала, поскольку управляющее электрическое поле создает канал только в области своей геометрии, поэтому при меньшей площади затвора на краях канал образовываться не будет и работоспособность прибора будет нарушена. При большей площади затвора электрическое поле будет вытягивать электроны прямо на затвор через подзатворный диэлектрик и работоспособность прибора также будет нарушена.

Индуцированный канал в зависимости от структуры транзистора может быть р- и п-типов, но поскольку подвижность электронов (а следовательно, и быстродействие прибора) в 2,5 раза выше, чем дырок, то транзисторы с n-каналом более предпочтительны. Электронные схемы,

вкоторых используется сочетание транзисторов с р- и n-каналами, называются комплементарными, поскольку необходимым условием их работы является комплементарность пороговых напряжений на затворе. Одной из основных характеристик полевого МДП-транзистора является стоковая характеристика, представляющая собой зависимость тока сто-

ка Iс от напряжения исток – сток, как это показано на рис. 3.11.

Если напряжение Uи–с (потенциал между истоком и стоком) равно нулю, то поле в диэлектрике однородное и толщина образовав-

шегося канала везде одинакова. Если Uи–с > 0, то вследствие протекания тока потенциал поверхности возрастает от истока к стоку. Следовательно, разность потенциалов между затвором и поверхно-

173

стью в направлении стока уменьшается, что приводит к сужению толщины канала вблизи стока. При некотором критическом напряжении U0 на стоке, которое называется напряжением насыщения, разность потенциалов между затвором и поверхностью вблизи стока становится равной нулю. При этом в этой точке становится равной нулю напряженность поля в диэлектрике, образуется «горловина» канала. После этого ток в рабочей цепи практически не зависит от напряжения на затворе и наступает насыщение, что соответствует пологому участку ВАХ (кривая 2 соответствует более высокому потенциалу на затворе, чем кривая 1).

Рис. 3.11. Статические вольт-амперные характеристики полевого МДП-транзистора (кривая 2 соответствует более высокому потенциалу на затворе, чем кривая 1)

Удельная крутизна МДП-транзистора определяется по формуле

b = εε0µW ,

Ld

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; µ – приповерхностная подвижность носителей (обычно в 2–3 раза меньше объемной);

W – ширина канала.

174

Данное выражение описывает участок кривой для Uи–с < Uн – напряжения насыщения. Для пологих участков ВАХ пользуются выражением

Ic = −b(U3 −U0 )2 .

Данному выражению соответствует так называемая стокозатворная характеристика – зависимость тока стока от напряжения на затворе при фиксированном напряжении исток – сток (рис. 3.12). Приведенные эмпирические выражения широко используются на практике, однако они дают большую погрешность при расчетах при высокой концентрации примесей – свыше 1015 см–3 (что чаще всего и наблюдается).

Рис. 3.12. Стоко-затворные характеристики МДП-транзистора

Стоко-затворная характеристика определяется крутизной b, которая, в свою очередь, зависит от длины канала, ширины канала и толщины подзатворного диэлектрика.

Действительно, чем меньше длина канала, тем меньше его сопротивление, соответственно, тем больше ток при прочих равных параметрах и тем круче характеристика. Чем больше ширина канала – тем больше носителей участвует в процессе переноса тока и тем круче кривая 2 по отношению к кривой 1. Чем тоньше подзатворный диэлек-

175

трик, тем легче электрическое поле проникает в полупроводник и тем раньше потечет ток. Следовательно, в этом случае стоко-затворные характеристики будут соответствовать различным значениям порогового напряжения и исходить из разных начальных точек.

3.5. Приборы с зарядовой связью

Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП-структур и являются планарными конденсаторами с соответствующей структурой. 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.

Первый ПЗС был изобретен в 1969 г. и представлял собой линию задержки на МДП-конденсаторах. Схема МДП-конденсатора приведена на рис. 3.13. Область стоп-диффузии называется стоп-каналом, представляет собой узкую полоску с повышенной концентрацией основной легирующей примеси и служит для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении.

Рис. 3.13. Схема МДП-конденсатора:

1 – металлический электрод; 2 – полупроводник (кремний); 3 – область стоп-диффузии; 4 – диэлектрик

176

Концентрация легирующей примеси определяет, при каком конкретном напряжении на затворе под действием электрического поля

вподзатворной области подложки происходит процесс инверсии типа проводимости. Технологический процесс получения ПЗС должен

впростейшем случае обеспечить нанесение металлических электродов на слой диэлектрика, который создается на поверхности кремниевой подложки. При этом не нужно проводить операции диффузии и вскрывать окна в слое диэлектрика. Единственной операцией является маскирование для создания металлических слоев.

Рассмотрим процессы, происходящие в МДП-конденсаторе при импульсном возбуждении. Если к металлическому электроду 1 (см. рис. 3.13) приложить положительное напряжение, то под поверхностью полупроводника в случае полупроводниковой подложки p-типа образуется слой 2, свободный от основных подвижных носителей – дырок. Как и в случае МДП-транзистора, такой слой называется обедненным слоем, а состояние кремния– состоянием обеднения.

Стечением времени обедненная область заполняется неосновными носителями заряда (в рассматриваемом случае – электронами), т.е. происходит процесс инверсии типа проводимости. Если при этом параллельно происходит какой-либо физический процесс, инициирующий генерацию свободных электронов в такой структуре (например, облучение светом и генерация фотоэлектронов), то заполнение происходит гораздо быстрее. Под электродом образуется инверсионный слой толщиной около 10 нм, представляющий собой потенциальную яму. Распределение потенциала U в глубину полупроводника описывается уравнением Пуассона:

∂2U = eNa ,

∂x2 εSiε0

где е – заряд электрона;

Na – концентрация акцепторной примеси.

Путем несложных преобразований с учетом толщины слоя окисла L, глубины обедненного слоя xd для напряжения U3 на металлическом электроде можно получить

177

где Qe – заряд неосновных носителей, находящихся у поверхности и приходящийся на единицу площади.

Величина заряда Qe не остается постоянной с течением времени, а увеличивается за счет тепловой генерации носителей в объеме полупроводника, диффузионного тока на краях обедненной области и за счет тепловой генерации на поверхностных дефектах кристаллической структуры. В результате состояние полупроводника под электродом после приложения положительного напряжения изменяется от глубокого обеднения до сильной инверсии, т.е. до того состояния, когда концентрация электронов становится равной акцепторной примеси. При этом отрицательный заряд примеси в обедненной области нейтрализуется положительным зарядом, возникающим в процессе тепловой генерации электронно-дырочных пар.

Таким образом, электроны, накапливаясь в потенциальной яме, частично нейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полупроводнике затвором, и могут его полностью компенсировать, но при этом в верхнем приповерхностном слое полупроводника образуется тонкий слой электронов, т.е. возникает заряд.

Время, в течение которого происходит переход из одного состояния в другое, называется временем хранения и зависит от чистоты исходного материала и технологии изготовления полупроводникового монокристалла. Современная технология позволяет получать полупроводниковые кристаллы с временем хранения от нескольких минут до пикосекунд. В течение этого времени МДП-конденсатор можно использовать для хранения аналоговой информации, представленной зарядом под электродом. Этот заряд можно инжектировать либо через специальный р–п-переход, либо фотоэлектрическим способом.

В результате создания подобной структуры и ее функционирования МДП-конденсаторы можно использовать в качестве запоминающего устройства. Для этого необходимо инжектировать под электрод зарядовые пакеты, пропорциональные амплитудам отсчетов входного сигнала,

178

и передавать информацию от одного конденсатора к другому с минимальными потерями. Следовательно, устройство должно работать в динамическом режиме и обеспечивать на выходе преобразование зарядового пакета в электрический потенциал. Приемник изображения, который эффективно используется в фото- и видеокамерах, представляет собой двухмерную матрицу из ПЗС-элементов.

В основе работы таких ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда: электрон и дырка. Электростатическое поле в области пиксела «растаскивает» эту пару, вытесняя дырку в глубь кремния. Неосновные носители заряда – электроны – будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют.

Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся (диффундируют) и обычно рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Носители, сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в стороны и попадать под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакетразмывается.

Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода будет уменьшен. ПЗС обладает замечательным свойством – самосканированием, которое заключается в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трех электродов или тактовых шин (один передающий электрод, один принимающий электрод и один изолирующий электрод, разделяющий принимающий и передающий электроды). Одноименные электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода. Таким образом реализуется простейший трехфазный регистр сдвига на ПЗС.

179

Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений: влево или вправо. Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же сторону одновременно. Двухмерный массив (матрицу) пикселов получают с помощью стопканалов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп-каналы – это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Типичная ПЗС-матрица создается следующим образом. На полупроводниковой подложке (например, р-типа проводимости) формируется тонкий (0,10–0,15 мкм) слой диэлектрика (обычно окисла), на котором располагаются полоски проводящих электродов из металла или поликристаллического кремния. Эти электроды образуют линейную или матричную регулярную систему, причем расстояния между электродами настолько малы, что существенными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Схема такой матрицы показана на рис. 3.14, а. Принцип работы ПЗС, как отмечалось ранее, основан на возникновении, хранении и направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при приложении к электродам внешних электрических напряжений.

Если к какому-либо электроду приложить положительное напряжение, то в МДП-структуре возникнет электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уйдут от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, толщина которого составляет доли или единицы микрометра. Неосновные носители заряда (электроны), генерированные в обедненном слое под действием каких-либо (например, тепловых) процессов или попавшие туда из нейтральных областей полупроводника под действием диффузии, будут перемещаться под действием поля к границе раздела полупроводник – диэлектрик и локализовываться в узком (порядка 0,01 мкм) инверсном слое. Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из

180