Опубликован: 16.01.2014 | Уровень: для всех | Доступ: платный

Лекция 5: Наноэлектронная элементная база информатики на кремниевых КМДП транзисторах

< Лекция 4 || Лекция 5: 123456 || Лекция 6 >
Аннотация: Цель лекции: напомнить принципы построения кремниевой КМДП логики и ее преимущества. Показать, что переход этой элементной базы путем поэтапного масштабирования в область нанометровых размеров был ожидаемым и закономерным. Объяснить основные проблемы, возникшие в ходе совершенствования наноэлектронной кремниевой элементной базы, и пути их решения. Показать также, каким образом освоение наноэлектронной технологии позволило существенно улучшить характеристики фоточувствительных КМДП матриц и расширить область их применения.

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 (Si) – 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 (SiО_2), 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 p-типа проводимости (основа транзистора), покрытом толстым слоем окисла (SiО_2), сформированы две высоколегированные области n^+-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 n^+-областями омические контакты.

Структура n-канального кремниевого МДП транзистора

Рис. 5.1. Структура n-канального кремниевого МДП транзистора

На сток обычно подают положительное электрическое напряжение U относительно истока, в результате чего создается электрическое поле, которое "тянет" электроны проводимости в направлении от истока к стоку. Но в объеме кремния p-типа таких электронов мало, и поэтому электрический ток стока i очень мал. Если же на затвор транзистора подать положительный потенциал U_3, 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 (n-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

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

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 i от напряжения U_3 на затворе при фиксированном напряжении между истоком и стоком. Характеристика эта имеет пороговый характер. Пока напряжение на затворе меньше U_{\textit{ПОР}}^n, ток стока очень мал (порядка 10^{-11}-10^{–8} A). А когда U_3>U_{\textit{ПОР}}^n, ток стока начинает быстро возрастать с ростом U_3 до значений порядка 10^{-6}-10^{–3} A (в зависимости от размеров и конструктивных особенностей транзистора).

Справа показаны выходные характеристики транзистора – зависимости тока стока i от напряжения между истоком и стоком U при разных значениях напряжения на затворе. Напомним, что электроны в n-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 p-канальный МДП транзистор ( рис. 5.3). Основой такого транзистора является кремний n-типа проводимости, а области истока и стока представляют собой высоколегированные "карманы" p^+-типа проводимости. Узкий канал с инверсным p-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.

Структура p-канального кремниевого МДП транзистора

Рис. 5.3. Структура p-канального кремниевого МДП транзистора

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

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

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

Слева показан вид передаточной характеристики (зависимости электрического тока стока i от напряжения U_3 на затворе) при фиксированном напряжении между стоком и истоком. Характеристика эта тоже имеет пороговый характер. Пока напряжение на затворе по абсолютной величине меньше \left|U_{\textit{ПОР}}^P\right|, ток стока очень мал, а когда |U_3| >\left|U_{\textit{ПОР}}^P\right|, то ток стока начинает быстро возрастать с ростом |U_3|.

Справа показаны выходные характеристики транзистора при нескольких разных значениях напряжения на затворе. Напомним, что дырки в p-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 r, а в закрытом состоянии – параллельно включенные большое электрическое сопротивление R>>r 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 n-канальные и p-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.

Структура КМДП интегральных схем на кремнии

Рис. 5.5. Структура КМДП интегральных схем на кремнии

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

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

< Лекция 4 || Лекция 5: 123456 || Лекция 6 >
Ольга Клюева
Ольга Клюева

Некорректно сформулированные задания. Нужна помощь в выполнении

Несибели Спандияр
Несибели Спандияр
Казахстан, Алматы, КазНАУ
Юлия Яцуненко
Юлия Яцуненко
Россия, г. Махачкала