Характерной чертой современного этапа развития науки, техники, экономики является широкое внедрение различных классов вычислительных машин

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Конкурентоспособный человеческий капитал как ключевой фактор инновационного развития, 140.08kb.
• Нп «сибирская ассоциация консультантов», 98.85kb.
• Особенностью современного этапа развития науки является возникновение приоритетных, 40.24kb.
• Юридический архив, 608.56kb.
• Реферат по концепции современного естествознания на тему: «Кибернетика наука ХХ века», 268.34kb.
• Переход мирового сообщества к инновационному типу экономики является одной из ведущих, 211.38kb.
• Характерной чертой роста благосостояния советского народа является возросший спрос, 1438.04kb.
• О журнале «Национальные интересы: приоритеты и безопасность», 15.62kb.
• I. Педагогические технологии с. 5-11, 387.64kb.
• Комкова Основы Государства и права учебное пособие, 5274.68kb.

Под влиянием образующегося электрического поля в транзисторе с встроенным каналом происходит расширение или сужение имеющегося канала. В таких транзисторах ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для прекращения его необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом p-типа), равное или большее напряжения отсечки U_{зи отс}. При этом дырки из инверсного слоя будут практически полностью вытеснены в глубину полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увеличивается. Таким образом МДП-транзисторы с встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения, тогда как транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения.

При изменениях напряжения U_си МДП-транзисторы ведут себя так же, как и полевые транзисторы. При малых значениях U_си МДП-транзистор ведёт себя как линейно управляемое сопротивление. С увеличением U_си растет ток стока I_c, следовательно увеличивается вызванное им падение напряжения на канале, которое сужает канал. При напряжении U_{си нас.} канал вблизи стока становится настолько узким, что наступает динамическое равновесие, когда увеличение напряжения U_си вызывает уменьшение ширины канала и повышение его сопротивления. В итоге ток I_c мало меняется при дальнейшем увеличении напряжения U_си.

Транзисторы с индуцированным каналом имеют гораздо большее распространение, хотя они работают только при одной полярности напряжений на затворе – той, при которой возникает канал, однако эти транзисторы проще в изготовлении.

По механизму электропроводности каналов МДП-транзисторы с индуцированным каналом подразделяются на транзисторы с каналами n- и p-типов. В принципе, механизм работы и свойства транзисторов с n- и p-каналами одинаковы. Однако есть и некоторые различия. Так, n-канальные транзисторы более быстродействующие, так как подвижность их рабочих носителей – электронов примерно втрое превосходит подвижность дырок. Кроме того, у n- и p-канальных транзисторов структура приповерхностного слоя в равновесии оказывается разной и это отражается на величине порогового напряжения. Электронные схемы, в которых используется сочетание транзисторов с n- и p-каналами, называются комплементарными.

Для того чтобы схема, содержащая МДП-транзистор, имела два легко различимых состояния 0 и 1 и, таким образом, могла служить элементом логической ячейки, достаточно последовательно с транзистором в цепь сток-исток включить нагрузку Rн и источник напряжения E.

Например, схема с общим истоком и МДП- транзистором с встроенным каналом p-типа имеет вид:





Когда транзистор закрыт, его сопротивление очень велико и практически всё напряжение Е падает на транзисторе (U_вых0), а когда транзистор открыт, то всё напряжение Е падает на резисторе R_н (U_вых Е). Эти два легко различимых режима работы соответствуют состояниям “0” и “1” в схемах на основе МДП-транзисторов.

Важнейшим параметром транзистора в качестве элемента логических схем компьютера является скорость его переключения из открытого состояния в закрытое и обратно. Самое малое время переключения, которое в принципе может быть получено, примерно равно времени пролёта носителей  вдоль канала под действием приложенного напряжения U_си. При длине канала L и скорости носителей V время пролёта составит:



Скорость дрейфа носителей в электрическом поле Е равна:

V = U∙E,

где U – подвижность носителей.

Поскольку напряженность поля в канале





Таким образом, предельное быстродействие МДП-транзисторов определяется длиной канала и подвижностью носителей в материале, из которого изготовлен транзистор.

Минимальная длина канала ограничена технологическими факторами. Современные кремниевые МДП-транзисторы имеют длину канала 0,1-5 мкм. Собственное предельное время переключения – 3∙10^-11с. Практическая скорость срабатывания серийной логической МДП-ячейки составляет 5∙10^-9 с.

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10¹⁰÷10¹⁴ Ом.

В настоящее время промышленность выпускает транзисторы с двумя изолированными затворами (тетродные МОП-транзисторы). Управление током транзистора с помощью двух управляющих напряжений расширяет функциональные возможности логических схем, построенных на таких транзисторах.

В состав некоторых логических микросхем входят ряд МОП-структур со специфическими свойствами, в частности, бистабильные МДП-транзисторы. Запоминающие элементы на биполярных и МДП-транзисторах обладают тем существенным недостатком, что даже кратковременное отключение питания приводит к разрушению записанной информации. Бистабильные МДП-структуры позволяют создавать запоминающие элементы с электрической перезаписью и не разрушаемой при отключении питания информацией. Эти структуры бывают двух видов: 1) типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП); 2) МОП-структуры с плавающим затвором. В структурах первого типа диэлектрик под затвором выполнен двухслойным.




Он состоит из тонкого слоя оксида SiO₂ толщиной около 2 нм и толстого слоя нитрида кремния Si₃N₄ толщиной 50-100 нм. На границе этих двух слоёв, а также в слое нитрида имеются “ловушки” электронов. Поэтому при подаче на затвор положительного напряжения (28÷30)В электроны из подложки туннелируют через тонкий слой SiO₂ и захватываются “ловушками”. Ловушки – это атомы примесей или дефекты кристаллической структуры, энергетические уровни которых находятся в запрещённой зоне. Электрон из зоны проводимости может перейти на энергетический уровень ловушки, затем либо вернуться назад, либо перейти в валентную зону. Таким образом в слое нитрида появляются неподвижные отрицательно заряженные ионы, созданный ими заряд повышает пороговое напряжение U_{зи пор}. Причем этот заряд может храниться в течение нескольких лет при отключении всех напряжений питания, так как слой SiO₂ предотвращает какой-либо перенос заряда в отсутствие электрического поля достаточно большой напряженности.

Если на затвор подать большое отрицательное напряжение (28-30)В, то накопленный заряд рассасывается. После его отключения пороговое напряжение U_зи существенно уменьшается. Разность межпороговой зоны составляет ΔU_пор12 В. на основе МНОП-структур выполняются запоминающие элементы, которые в зависимости от записанного в них “заряда” будут иметь малое или большое сопротивление при подаче одинакового напряжения U_зи, что соответствует уровням логической единицы и нуля. Межпороговая зона несколько уменьшается при многократно повторяемых процессах перезаписи, но при этом остаётся достаточно широкой (проторенная дорожка для электронов).

МОП-структуры с плавающим затвором – это транзисторы с однослойным диэлектриком, внутри которого на небольшом расстоянии от поверхности расположен не имеющий внешнего вывода плавающий затвор, выполненный из кристаллического кремния. Информация хранится в виде заряда на изолированном затворе.




В исходном состоянии заряд на плавающем затворе отсутствует и транзистор находится в состоянии “0”, характеризующемся отсутствием проводящего канала. При подаче высокого напряжения на сток или исток транзистора возникает лавинный пробой p-n-перехода, образованного этой областью и подложкой. При этом электроны приобретают достаточно большие энергии, позволяющие им проникнуть в изолирующий слой и достигнуть затвора. На затворе появляется отрицательный заряд. Величину заряда выбирают такой, чтобы он обеспечил появление электрически проводящего канала, соединяющего исток и сток. Таким образом транзистор переходит в состояние “1”. Благодаря низкой проводимости плёнки SiO₂, окружающей затвор, заряд на нём, а, следовательно, и проводящее состояние транзистора, сохраняются длительное время, много лет (уменьшается заряд приблизительно на 25% за 10 лет).

Для возврата транзистора в исходное нулевое состояние необходимо удалить инжектированный заряд с плавающего затвора. Для этого область затвора подвергается воздействию ультрафиолетовым излучением (или ионизирующим излучением другого вида, рентгеновскими лучами). Мощность облучения ультрафиолетовыми лучами должна быть достаточной для ионизации и возникновения в цепи затвора фототока, в результате которого электроны рекомбинируют с дырками и заряд исчезает. Облучение проводят через специальные окошки из кварцевого стекла, имеющиеся в микросхемах. Источниками излучения служат кварцевые лампы.

Такие МОП-транзисторы используются для создания микросхем памяти компьютера. В итоге записи информации, осуществляемой рассмотренным способом, одни транзисторы становятся электропроводными, а другие – нет. Записанная информация может быть стёрта и вместо неё записана другая, хотя процессы стирания и перезаписи достаточно трудоёмки.

В настоящее время разработаны более усовершенствованные лавинно-инжекционные МОП-структуры с плавающим затвором, в которые введён второй управляющий затвор. В них стирание информации может быть выполнено импульсами напряжения амплитудой около 30В, что ускоряет и упрощает процесс перепрограммирования, т.е. смены информации в так называемых полупостоянных или программируемых ЗУ (ППЗУ).