Лекция 5: Наноэлектронная элементная база информатики на кремниевых КМДП транзисторах

КМДП транзисторы

Ядром микроэлектронной элементной базы информатики, предшественницы НЭБИ, была и остается полупроводниковая, в первую очередь кремниевая микроэлектроника, в частности интегральные схемы на кремнии. На это имеется много причин. Во-первых, кремний () – это один из самых распространенных на Земле химических элементов, и поэтому является одним из наиболее дешевых. Во-вторых, он имеет оптимальные полупроводниковые характеристики – ширину запрещенной зоны энергий; возможности для введения в него как донорных, так и акцепторных примесей и регулирования таким образом его электропроводности в очень широких пределах; способность к образованию омических контактов с алюминием, золотом, медью; высокую теплопроводность, теплоотдачу и т.п. В-третьих, кремний при высоких температурах легко окисляется, образуя поверхностный слой высококачественного окисла (), который имеет отличные диэлектрические свойства, довольно стоек, хорошо защищает созданные в кремнии элементы от внешних воздействий, обеспечивая высокую надежность их функционирования. Кремний как нельзя лучше подошел для воплощения в жизнь идей планарной технологии, когда с помощью последовательных групповых технологических операций легирования, окисления, напыления, фотолитографии, травления и т.д. на кремниевых пластинах одновременно изготовляют большое количество (сотни–десятки тысяч) интегральных схем любого уровня сложности.

На разных этапах развития микроэлектронной элементной базы информатики использовались различные конструктивно-технологические и схемотехнические варианты реализации логики и аналоговой обработки сигналов на кремнии. Но на зрелом этапе развития кремниевой технологии показал себя лучше всего и стал ведущим вариант элементной базы на КМДП транзисторах. Напомним вкратце, что это такое.

Структура и характеристики n-канального МДП транзистора

Аббревиатура "МДП" обозначает структуру "металл – диэлектрик –полупроводник" (англ. metal-insulator-semiconductor – MIS). В литературе часто употребляют также аббревиатуру "МОП", которая обозначает структуру "металл – окисел – полупроводник" (англ. metal-oxide-semiconductor – MOS). Поскольку окисел является лишь частным случаем диэлектрика, то термин "МДП" является более общим. Поэтому в дальнейшем мы отдадим предпочтение именно этому термину, тем более, что на наноэлектронном этапе развития полупроводниковой технологии оказалось, что в роли подзатворного диэлектрика лучше применять не окисел кремния, а другие диэлектрики.

На рис. 5.1 показана типичная структура п-канального МДП транзистора. В кремнии -типа проводимости (основа транзистора), покрытом толстым слоем окисла (), сформированы две высоколегированные области -типа проводимости, которые называют "истоком" (англ. source) и "стоком" (англ. drain). На поверхности кремния в промежутке между ними находится тонкий слой диэлектрика (Подзатворный диэлектрик). Над ним сформирован поликремниевый или металлический электрод, который называют "затвором" (англ. gate). К областям истока, стока и затвора подведены металлические шины, которые образуют с -областями омические контакты.

Рис. 5.1. Структура n-канального кремниевого МДП транзистора

На сток обычно подают положительное электрическое напряжение относительно истока, в результате чего создается электрическое поле, которое "тянет" электроны проводимости в направлении от истока к стоку. Но в объеме кремния -типа таких электронов мало, и поэтому электрический ток стока очень мал. Если же на затвор транзистора подать положительный потенциал , то создаваемое им электрическое поле притягивает электроны проводимости к подзатворному диэлектрику. В результате у поверхности кремния в прилегающей к подзатворному диэлектрику области концентрация электронов превосходит концентрацию дырок, и создается узкий канал проводимости с инверсным типом проводимости (-типа), который тянется вдоль всего затвора от истока к стоку. И электрический ток стока значительно возрастает. Поскольку ток сквозь транзистор регулируется здесь электрическим полем затвора, то такие транзисторы называют еще "полевыми". Отсюда и англоязычное название таких транзисторов – MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor).

Типичный вид характеристик п-канального МДП транзистора показан на рис. 5.2

Рис. 5.2. Вид передаточной (слева) и выходных характеристик (справа) п-канального кремниевого МДП транзистора

Слева показан вид передаточной характеристики, т.е. зависимости электрического тока стока от напряжения на затворе при фиксированном напряжении между истоком и стоком. Характеристика эта имеет пороговый характер. Пока напряжение на затворе меньше , ток стока очень мал (порядка A). А когда , ток стока начинает быстро возрастать с ростом до значений порядка A (в зависимости от размеров и конструктивных особенностей транзистора).

Справа показаны выходные характеристики транзистора – зависимости тока стока от напряжения между истоком и стоком при разных значениях напряжения на затворе. Напомним, что электроны в -канале движутся от истока к стоку, но, поскольку они переносят отрицательный электрический заряд, то электрический ток течет в противоположном направлении – от стока к истоку.

Структура и характеристики p-канального МДП транзистора

Похожую структуру имеет -канальный МДП транзистор ( рис. 5.3). Основой такого транзистора является кремний -типа проводимости, а области истока и стока представляют собой высоколегированные "карманы" -типа проводимости. Узкий канал с инверсным -типом проводимости от истока к стоку возникает здесь в случае, когда к затвору приложено отрицательное электрическое напряжение относительно истока и основы. Под действием созданного затвором электрического поля к поверхности кремния в области подзатворного диэлектрика притягиваются положительно заряженные дырки. Они и переносят электрический заряд от истока к стоку, если к последнему приложено отрицательное напряжение относительно истока.

Рис. 5.3. Структура p-канального кремниевого МДП транзистора

Типичные характеристики -канального МДП транзистора показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Вид передаточной (слева) и выходных (справа) характеристик p-канального кремниевого МДП транзистора

Слева показан вид передаточной характеристики (зависимости электрического тока стока от напряжения на затворе) при фиксированном напряжении между стоком и истоком. Характеристика эта тоже имеет пороговый характер. Пока напряжение на затворе по абсолютной величине меньше , ток стока очень мал, а когда , то ток стока начинает быстро возрастать с ростом .

Справа показаны выходные характеристики транзистора при нескольких разных значениях напряжения на затворе. Напомним, что дырки в -канале движутся от истока к стоку и, поскольку они переносят положительный электрический заряд, то и электрический ток течет тоже от истока к стоку.

Комплементарные МДП транзисторы

В открытом состоянии МДП транзистора его эквивалентной электрической схемой (схемой замещения) является относительно небольшое электрическое сопротивление , а в закрытом состоянии – параллельно включенные большое электрическое сопротивление и электрическая емкость между истоком и стоком.

Время переключения МДП транзисторов из открытого состояния в закрытое и наоборот зависит от нескольких основных факторов:

(1) от времени перезарядки входной электрической емкости, которая состоит из емкости между затвором и основой транзистора, емкости между электродом затвора и электродами истока и стока и из "паразитных" емкостей монтажа;

(2) от времени перемещения носителей заряда в канале транзистора от истока к стоку и

(3) от времени перезарядки электрических емкостей, на которые нагружен выход транзистора. А это прямо зависит от величины выходного электрического тока транзистора.

Совместно -канальные и -канальные МДП транзисторы называют комплементарными (взаимодополняющими). Отсюда и их общее сокращенное название – КМДП транзисторы. Конструкция, позволяющая изготовлять на одной пластине кремния одновременно оба типа МДП транзисторов, показана на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Структура КМДП интегральных схем на кремнии

Пластина кремния -типа проводимости непосредственно является основой для формирования -канальных МДП транзисторов. Для формирования -канальных МДП транзисторов в пластине кремния предварительно формируют "карманы" -типа проводимости, которые и становятся основой для формирования -канальных МДП транзисторов.

Межсоединения в КМДП интегральных схемах реализуют на нескольких уровнях, изолированных один от другого окислом кремния или другим диэлектриком.