Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 10 06;12 Кремниевые двухстоковые полевые тензотранзисторы й Г.Г. Бабичев, С.И. Козловский, В.А. Романов, Н.Н. Шаран Институт физики полупроводников АН Украины, 252650 Киев, Украина (Поступило в Редакцию 3 сентября 1999 г.) Приведены результаты исследования p-канальных полевых тензотранзисторов на основе кремния. Рассмотрены тензотранзисторы двух типов: МДП тензотранзистор и полевой тензотранзистор с p-n-переходом в качестве затвора. Тензотранзисторы относятся к тензочувствительным монополярным полупроводниковым приборам с горизонтальной структурой и внутренним дифференциальным выходом. Определена оптимальная топология приборов, а также рассчитаны их основные характеристики.

Одной из новейших технологий создания новых по- ной чувствительностью, SR [5] лупроводниковых приборов (электромеханических сен(ID1 - ID2) сорных и исполнительных микроконструкций) является SA = RD, (1) =0 интегральная технология создания микроэлектромеханических систем на основе кремния (MEMS technology) [1].

(ID1 - ID2) SR =(ID1 + ID2)-1, (2) Интенсивное ее развитие стимулирует поиск новых ти =0 пов тензочувствительных элементов.

где Ч механическое напряжение в области располоСовременные кремниевые интегральные тензочувжения тензотранзистора, ID1(D2) Чтоки стоков D1 и D2 ствительные элементы с резистивным выходом можно соответственно, величины нагрузочных сопротивлений в разделить на две группы: ФмонополярныеФ и Фбиполярстоковых цепях транзисторов будем полагать одинаковыныеФ, в которых выходной сигнал формируется при ми RD1 = RD2 = RD.

направленном движении соответственно основных и неНа рис. 1, 2 показаны топологии (a) и схеосновных носителей заряда. К первой группе относятся мы (b) включения полевых двухстоковых тензотранзитензочувствительные элементы на основе пьезорезистивсторов: p-канального обедненного МДП тензотранзистоного эффекта и на основе эффекта тензоэдс, ко второй Ч ра (рис. 1) и p-канального полевого тензотранзистора с тензочувствительные элементы на основе биполярных управляющим p-n-переходом (рис. 2).

тензотранзисторов [2,3]. Датчики с чувствительным элементом на основе биполярных тензотранзисторов обладают высоким уровнем выходного сигнала, высокой относительной чувствительностью, однако имеют значительно более по сравнению с ФмонополярнымиФ датчиками токопотребление. Низкий уровень энергопотребления при достаточно высоком уровне выходного сигнала может быть получен в тензодатчиках с чувствительным элементом на основе полевого эффекта.

В настоящей работе мы рассмотрим принцип работы и проведем оптимизацию топологии полевых двухстоковых тензотранзисторов двух типов: МДП (металЦдиэлектрикЦполупроводник) и тензотранзистора с p-n-переходом в качестве затвора. Подобно полевым транзисторам [4], полевые транзисторы должны обладать рядом важных преимуществ перед биполярными тензотранзисторами, среди них сравнительно малая зависимость параметров транзистора от температуры, малый уровень шума, а для полевых тензотранзисторов с p-n-переходом характерна более высокая радиационная стойкость.

По аналогии с полевыми магнитотранзисторами чувствительный элемент интегрального тензодатчика на основе полевого тензотранзистора можно охарактеризоРис. 1. Топология, схема включения и кристаллографическая вать двумя параметрами: абсолютной чувствительностью ориентация двухстокового полевого МДП тензотранзистора:

SA и эффективностью преобразования, или относитель- 1 Чисток, 2 Ч затвор, 3, 4 Ч стоки.

46 Г.Г. Бабичев, С.И. Козловский, В.А. Романов, Н.Н. Шаран В стационарном случае обусловленная анизотропией подвижности поперечная разность потенциалов препятствует перераспределению плотности тока поперек канала. Поэтому практически значимое поперечное перераспределение плотности тока будет иметь место только вблизи стоков, где поперечная разность потенциалов закорачивается p+-областями стоков. Следовательно, наведенная деформацией анизотропия подвижности дырок в условиях закорачивания поперечной разности потенциалов будет приводить к перераспределению плотности тока поперек канала, разбалансу токов стоков и появлению выходного сигнала.

Принцип действия описываемых здесь полевых тензотранзисторов формально эквивалентен принципу действия многостоковых полевых магнитотранзисторов, у которых холловское поле обусловливает перераспределение тока между стоками [5,6].

Ограничим канал полевого транзистора координатами (0 x Lx; 0 y Ly; 0 z Lz), тогда величины тока стоков D1 и D2 полевого МДП тензотранзистора (рис. 1, a) можно записать в виде LD(Ly) U ID1(D2) = Cp (x = Lx, y) x 0(Ly-Lx) UC - UG - U(x = Lx, y) dy, (3) где C Ч емкость единицы площади системы полевой электродЦполупроводник; UC Ч напряжение отсечки (напряжение на затворе, при котором проводимость Рис. 2. Топология, схема включения и кристаллографическая канала равна нулю); UG Ч потенциал затвора; U(x, y) Ч ориентация двухстокового полевого тензотранзистора с p-nпотенциал канала в точке с координатами x, y.

переходом в качестве затвора. 1Ц4 Ч то же, что и на рис. 1.

Аналогично для полевого тензотранзистора с p-n-переходом в качестве затвора (рис. 2, a) и однородно легированным каналом величина тока стока D1 будет Будем полагать, что полевой тензотранзистор распоиметь вид лагается в центре профилированной кремниевой мембраны, преобразующей равномерно распределенную по LD(Ly) U поверхности мембраны нагрузку в одноосную упругую ID1(D2) = 0Lz (x = Lx, y) деформацию растяжения (сжатия) ее центральной части x 0(Ly-LD) в кристаллографическом направлении [110] [2].

Рассмотрим принцип работы полевых тензотранзисто- ров. При подаче соответствующих напряжений смеще1 UG + Ui + U(x = Lx, y) - dy. (4) ния (UDS), UG) дырки дрейфуют вдоль канала в проUC дольном тянущем поле. В отсутствии деформации в силу зеркальной симметрии топологии тензотранзистоЗдесь 0 Ч удельная металлургическая проводимость ров относительно плоскости, проходящей через середину канала, Ui Ч встроенный потенциал p-n-перехода, UC Ч канала y = Ly/2 перпендикулярно xy-плоскости, токи напряжение отсечки (перекрытия канала). В выражениях стоков равны между собой ID1 = ID2 = ID и величина (4), (5) мы полагаем, что стоки D1 и D2 имеют одинаковыходного сигнала V0 (рис. 1, 2) при равенстве сопротивую ширину LD и отделены друг от друга промежутком влений нагрузки RD1 = RD2 = RD равна нулю.

W = Ly-2LD. При наличии деформации величину потенПри равномерном нагружении кремниевой мембраны циала U(x, y) можно представить следующим образом:

подвижность основных носителей заряда Ч дырок становится анизотропной в xy-плоскости и в канале полевого U(x, y) =U0(x) +a(x, y), (5) тензотранзистора возникают дополнительные, пропорциональные деформации, поперечное и продольное элек- где U0(x) Ч потенциал канала в точке x при отсутствии трические поля (в y- и x-направлениях соответственно). деформации; (x, y) Ч изменение потенциала в канале, Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Кремниевые двухстоковые полевые тензотранзисторы обусловленное упругой деформацией; a Ч параметр анизотропии [2,3].

В рассматриваемом случае параметр анизотропии a линейно связан с величиной упругого одноосного механического напряжения в области расположения полевого тензотранзистора соотношением [2] a =44/2, (6) где 44 Ч сдвиговый пьезорезистивный коэффициент для p-Si.

Для практически достижимых значений упругой деформации величина a мала |a| 1 и справедливо неравенство U0(x) |a(x, y)|. (7) Рис. 3. Поперечное распределение наведенного деформацией Подставляя выражения (3)Ц(6) в (2), получаем сле- изменения продольной компоненты электрического поля в дующие выражения для величин абсолютной чувстви- канале полевого тензотранзистора. Ly, m: 1 Ч 10, 2 Ч 30, 3 Ч 150; UDS = 1V, a Ч 0.01, Lx = 100 m.

тельности SA и эффективности преобразования SR МДП тензотранзистора:

LD Следовательно, задача нахождения значений абсолютSA =44CpRD(UC -UG -UDS) (x = Lx, y)dy, (8) ной чувствительности SA и эффективности преобразоваx ния SR полевых тензотранзисторов сводится к нахождению величины изменения пространственного распредеLD ления потенциала a(x, y) в канале полевого тензотран(UC - UG - UDS) SR =44Cp (x = Lx, y)dy, (9) зистора при наложении деформирующих усилий.

2ID x 0 Рассмотрим предельные случаи однородного и неоднородного пространственного распределения электриC Ly UDS ческого поля в канале тензотранзистора в отсутствие ID = p UC - UG - UDS. (10) 2 Lx деформации.

0 0 0 1. Однородное распределение электрического поЗдесь ID1 = ID2 = ID Ч токи стоков в отсутствии ля в канале (U0/x = const). При однороддеформации. Следует отметить, что формулы (8)Ц(10) ных условиях в канале полевого тензотранзистора также справедливы для МДП тензотранзистора с инверс(|UC - UG| |UDS|, |Ui|) величина (x, y) имеет вид [3] ным p-каналом при смене знаков напряжений UC и UG.

Аналогичные выражения для полевого тензотранзистора 2 [(-1)n - 1] с p-n-переходом в качестве затвора имеют вид (x, y) =UDS 2 n=1 nSA =44RD0Lz 1 - (UG + Ui + UDS)/UC sh[n(2y - Ly/2Lx)] sin(nx/Lx). (14) LD ch(nLy/2Lx) (x = Lx, y)dy, (11) Используя выражение (14), можно легко вычислить x обусловленное деформацией изменение продольного электрического поля вблизи стоков тензотранзисторов 44 - (UG + Ui + UDS)/UC SR = 0Lz 2 ID Ex(Lx, y) =-a (x = Lx, y). (15) x LD На рис. 3 представлена поперечная зависимость на (x = Lx, y)dy, (12) веденного деформацией изменения продольного элекx трического поля Ex(Lx, y). Видно, что на участках 0 y Ly/2 и Ly/2 y Ly поле имеет разные знаки, LzLy т. е. соответственно на первом участке знак Ex совпадает ID = 0 UDS 2Lxx со знаком тянущего поля, а на втором участке противоположен ему. Следовательно, при упругой деформации 2 (UG + UUi)3/2 - (UG + Ui + UDS)3/области, где расположен тензотранзистор, ток одного из +. (13) 3 UC стоков будет увеличиваться, а другого Ч уменьшаться.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 48 Г.Г. Бабичев, С.И. Козловский, В.А. Романов, Н.Н. Шаран Подставляя значение (x, y) в (9), (12) получаем следующие выражения для абсолютной чувствительности SA и эффективности преобразования SR полевых тензотранзисторов.

Для МДП тензотранзистора величина абсолютной чувствительности равна Ly SA =44CpRD(UC-UG-UDS)UDS F(Lx, Ly, LD), (16) Lx где 2 Lx [1 - (-1)n] F(Lx, Ly, LD) = 2 Ly n=1 n ch(nLy/2Lx)-ch n(Ly/2Lx)(2LD/Ly-1) Рис. 5. Зависимость приведенной к максимальному значению. (17) ch(nLy/2Lx) абсолютной чувствительности тензотранзистора от геометрических размеров канала (1Ц4 Ч то же, что и на рис. 4).

Для полевого тензотранзистора с p-n-переходом в качестве затвора абсолютная чувствительность определяется выражением Ly/Lx. Если эффективность преобразования с ростом величины Ly/Lx растет, достигает максимума, а затем SA =44RD0Lz 1 - (UG + Ui + UDS)/UC монотонно падает, то абсолютная чувствительность монотонно растет и достигает насыщения при Ly/Lx 2.

Ly UDS F(Lx, Ly, LD). (18) Из зависимостей, представленных на рис. 4, 5, следует, Lx что оптимальными соотношениями являются следуюВеличина SR оказывается одинаковой для обоих типов щие: Ly/Lx 1, при этом величина разделительного промежутка между стоками W 0.2Ly.

рассматриваемых здесь тензотранзисторов Подставляя численные значения параметров в выраSR =44 F(Lx, Ly, LD). (19) жение (19), получаем величину эффективности преобразования для полевых тензотранзисторов:

На рис. 4 и 5 представлены зависимости величины абSR 5.0 10-10 Pa-1.

солютной и относительной чувствительностей полевых = (20) тензотранзисторов от геометрических размеров канала.

2. Неоднородное распределение электрического поля Эти зависимости позволяют найти оптимальное соотв канале (U0/x = const). Распределение тянущего ношение Ly/Lx, а также ширину стоковых электродов, электрического поля в канале МДП тензотранзистора в при которых величины SR и SA максимальны. Как видно, отсутствие деформации можно найти из условия постоэффективность преобразования и абсолютная чувствиянства полного тока через любое поперечное сечение тельность по-разному зависят от величины отношения канала (см., например, [4]) U0(x) Ex(x) =x (UC - UG - UDS/2)UDS = -.

Lx (UC-UG)2-2(UC-UG-UDS/2)UDSx/Lx (21) При произвольных UG и UDS получить аналитическое выражение для величины (x, y) не удается, поэтому необходимо использование численных методов [6Ц8].

Согласно расчетам [7], величину наведенной упругой деформацией продольной компоненты электрического поля можно представить в виде Ex(x, y) =-a (x, y) x Рис. 4. Зависимость относительной чувствительности тенa U0(x) y зотранзистора от геометрических размеров канала. LD/Ly:

= - F1(Lx, Ly, LD), (22) 1 Ч0.5, 2 Ч0.4, 3 Ч0.2, 4 Ч0.1.

2 x (Lx - xM(Lx, Ly)) Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Кремниевые двухстоковые полевые тензотранзисторы где xM(Lx, Ly) Ч расстояние от истока до точки канала, [4] Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.

где величина достигает максимума; F1(Lx, Ly, LD) Ч [5] Baltes H.P., Popovic R.S. // Proc. IEEE Trans. 1986. Vol. 74.

величина, зависящая от геометрических размеров канала N 8. P. 1107Ц1132.

и ширины стоковых электродов.

[6] Fry P.W., Hoey S.F. // IEEE Trans. on ED. 1969. Vol. ED-16.

Подставляя выражения (3), (21), (22) в формулу N 1. P. 35Ц39.

(2), а также учитывая результаты численного расче[7] Lau J., Ko P.K., Chan P.C.H. // Sensors and Actuators A.

та [7] значений xM(Lx, Ly) и F1(Lx, Ly, LD), получаем 1995. Vol. A49. P. 155Ц162.

величину максимальной эффективности преобразования [8] Mathieu N., Giordano P. Chovet A. // Sensors and тензотранзистора Actuators A. 1992. Vol. 32. P. 656Ц660.

[9] Бабичев Г.Г., Гузь В.Н., Жадько И.П. и др. // ФТП. 1990.

SR 4.2 10-10 Pa-1. (23) = Т. 24. Вып. 3. С. 409Ц412.

[10] Ning F., Bruun E. // Sensors and Actuators A. 1997. Vol. A58.

Результаты численного анализа [7] также показывают, P. 109Ц112.

что выводы, касающиеся оптимальных размеров канала и ширины стоковых электродов, справедливы и для неоднородного случая.

Оценим величину абсолютной чувствительности для МДП тензотранзистора в режиме согласованной нагрузки, когда выходное сопротивление тензотранзистора равно сопротивлению нагрузки RD, при следующих значениях параметров: Lx = Ly, LD = Ly/2, F1(Lx, Ly, LD)Lx/(Lx - xM = 2.4), UDS = 10 V, 44 = 1.4 10-9 Pa-1. Подставляя выражения (21), (22) в (8), получаем следующее значение для абсолютной чувствительности МДП тензотранзистора:

SA = 8.4 10-9 V/Pa. (24) Полученные значения SA и SR для МДП тензотранзистора при прочих равных условиях практически совпадают с рассчитанными по формулам (11)Ц(13) величинами абсолютной и относительной чувствительности полевого тензотранзистора с p-n-переходом в качестве затвора.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам