Geum.ru

Основы микроэлектроники (курс лекций)

Вид материалаКурс лекций

Содержание


Пороговое напряжение МДП-транзисторов
Теперь можно записать полную формулу для порогового напряжения
Способы уменьшения порогового напряжения
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8

Пороговое напряжение МДП-транзисторов




Общие вопросы (Наилучший первоисточник — Маллер и Кейминс, ЭИС, с. 450–565)



Пороговое напряжение — один из основных параметров МДП-приборов.

Чтобы не рисовать зонных диаграмм (их можно найти в любом учебнике), мы введем несколько положений, которые более или менее очевидны.

1. Нормальный МДП-транзистор представляет собой 3-слойную структуру типа металл (Al) — диэлектрик (SiО2) — полупроводник (Si), либо нечто подобное. Материалы каждого из этих слоев имеют различные работы выхода и, следовательно, различные уровни Ферми.

2. Если все три слоя прилегают друг к другу достаточно плотно и границы раздела не содержат зарядов, то при отсутствии внешних напряжений все три слоя придут к одинаковому уровню Ферми. Выравнивание УФ в различных материалах происходит путем переноса отрицательных зарядов из слоев с более высокими УФ (меньшая работа выхода) в слои с более низкими УФ (бόльшая работа выхода).

Может показаться странным, что в МОП-структуре заряды могут переноситься через окисел, который является почти идеальным изолятором. Действительно, если при изготовлении такой структуры никаких цепей переноса заряда между металлом (за исключением окисла) не было, то эти материалы могут оставаться в неравновесном состоянии (т.е. с различными УФ) достаточно долгое время. Однако практически в каждой МОП-структуре есть какая-то цепь для передачи заряда, которая обладает намного большей проводимостью по сравнению с окислом. Поэтому можно считать, что между металлом и полупроводником существует электродинамические равновесие.

Конец лекции 20


Лекция 21



3. В нашем случае отрицательный заряд из алюминия переносится в кремний, так как для Al работа выхода на 0,8 эВ меньше, чем для Si (qM – qS = 4,1 – 4,9 эВ). Тогда на поверхности металла образуется положительно заряженная плоскость, а в приповерхностной области кремния — изгиб зон. Данная ситуация похожа на обычный контакт "металл-полупроводник", но есть и существенные отличия:

В реальных МДП-транзисторах нужно учитывать заряд в пленке SiО2 и заряд поверхностных состояний в Si, наличие которых влияет на распределение и напряженность электрического поля в структуре. В SiО2 обычно существуют положительные заряды, обусловленные ионами калия, натрия и др., поэтому поле на границе раздела Si-SiО2 дополняется положительным зарядом в диэлектрике и таким же отрицательным зарядом электронов, скапливающихся у его поверхности. Этот заряд мы обозначим как Qss (заряд поверхностных состояний).

Данное явление эквивалентно увеличению к.р.п. нашей МДП-структуры, которая в случае алюминиевого затвора равна около –0,95 В при Na = 1016 см-3. Если бы не было поверхностного заряда, эта к.р.п. равнялась бы напряжению V0, равному разности работ


– 41 – Лекция 21


выхода металл-полупроводник, т.е. –0,8 В (р-подложка). С учетом Qss эта к.р.п. (так называемое напряжение спрямления зон, где оба слагаемых отрицательны) равна


V0F = V0 + Qss/C0 (около –0,95 В), (F — flat band)

(для n-канальных приборов способствует понижению Uпор)

где C0 = 0SiO2/dSiO2 — удельная емкость структуры МДП под затвором; SiO2 и dSiO2 —диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрика. Уменьшение d желательно (чем меньше d, тем больше крутизна), но ограничено пробоем диэлектрика. Типичные значения толщины двуокиси кремния составляют d = 0,1–0,15 мкм. Если положить d = 0,15 мкм и  = 3,5 (для SiO2), то С0  200 пФ/мм2.

Кроме того, чтобы проводимость стала

инверсной, нужно не только скомпенсировать

полупроводник в канале, но еще и прибавить

поля, чтобы электроны получили господство

над дырками, т.е. создать в канале электрон-

ную проводимость вместо дырочной. Заряды,

которые создают эти поля, хорошо видны на

приводимой рядом диаграмме:

Q = qNa — плотность заряда акцепторов в ОПЗ,

ширину которой легко рассчитать при U = 2VFS

(превращает полупроводник из р-типа в n-тип,

отгоняя дырки на расстояние не менее );

Qn — плотность поверхностного заряда

электронов в канале под затвором — паспортная величина для данной технологии;

Qs = Q + Qn — суммарный поверхностный заряд в полупроводнике;

VFS = T .ln(Na/ni) — потенциал Ферми, определяющий положение УФ полупроводника

относительно середины запрещенной зоны;

Напряжение, создающее указанный заряд под затвором, называется напряжением изгиба зон и выражается как

V0B = 2VFS + Q/C0 (B — bending zone, s — semiconductor).

Теперь можно записать полную формулу для порогового напряжения:


Uпор = V0F + V0B = V0 + Qss/C0 + 2VFS + Q/C0 . (1)

Таким образом, для каждого члена уравнения (1) явно просматривается соответствующий физический механизм.


Примечания:

1. При использовании формулы (1) следует помнить, что ее 1-е и 2-е слагаемые отрицательны.

2. Материал здесь представлен очень кратко и без доказательств, на самом деле вся теория намного сложнее. Есть много вариантов формулы (1) в зависимости от записи напряжений зон и выражений для зарядов. Это связано с типом МОП — р- и n-канальные с индуцированным и встроенным каналом.


Способы уменьшения порогового напряжения



Данная проблема обычно возникает в случае р-канальных МДП-транзисторов.

Один из способов — применение поликремниевых затворов, позволяющих обеспечить не только малую емкость перекрытия, но и малое пороговое напряжение: 1–2 В вместо обычных 2,5–3,5 В. Это связано с тем, что материал затвора и подложки здесь один и тот же — кремний. Следовательно, к.р.п. между ними равна нулю, что приводит к уменьшению порогового напряжения. Примерно тот же результат дает использование молибденового затвора.

– 42 – Лекция 21 – 22


Помимо к.р.п., для уменьшения порогового напряжения можно варьировать и другими параметрами (см. ф-лу (1)). Поскольку Uпор возрастает с увеличением степени легирования и с увеличением толщины подзатворного диэлектрика, то следует использовать умеренное легирование и тонкий диэлектрик. Можно заменить тонкий окисел SiO2 тонким напыленным слоем нитрида кремния Si3N4, у которого диэлектри-ческая проницаемость (  7) примерно в полтора-два раза больше, чем у SiO2 (  4). Это приводит к увеличению удельной емкости C0, а значит, к уменьшению соответствующих слагаемых порогового напряжения. Нитрид кремния в составе подзатворного диэлектрика дает и другие преимущества — меньшие шумы, большую временную стабильность ВАХ и повышенную радиационную стойкость МДП-транзисторов.

Сочетая перечисленные методы, можно обеспечить пороговое напряжение практически любой сколь угодно малой величины. Правда, слишком малые (0,5–1 В и менее) в большинстве случаев неприемлемы по схемотехническим соображениям (малая помехоустойчивость).