Приборы с зарядовой связью

Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рисунке 6.19 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП‑структур. Величина зазора между соседними МДП‑структурами невелика и составляет 1‑2 мкм. ПЗС‑элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому.

Рис. 6.19. Устройство и принцип работы приборов с зарядовой связью

Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения V_G1 на затвор 1‑го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полупроводнике р‑типа это соответствует формированию под затвором 1‑го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времени t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов τ_ген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС‑элементах должны проходить за времена меньше τ_ген. Пусть в момент времени t₁ >> τ_ген в ОПЗ под затвор 1‑го элемента инжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов (рис. 6.19б). Теперь в момент времени t₂ > t₁, но t₂ << τ_ген на затвор 2‑го ПЗС‑элемента подадим напряжение V_G2 > V_G1, способствующее формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2‑го элемента. Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1‑м элементом в ОПЗ под вторым элементом, как показано на рисунке 6.19в. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2‑го ПЗС‑элемента, напряжение на затворе V_G1 снимается, а на затворе V_G2 уменьшается до значения, равного V_G1 (см. рис. 6.19г). Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС‑элемента. Для того, чтобы приборы с зарядовой связью эффективно функционировали, необходимо, чтобы время передачи t_пер от одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (t_пер << τ_ген). Не должно быть потерь информационного заряда в ОПЗ вследствие захвата на поверхностные состояния, в связи с чем требуются МДП‑структуры с низкой плотностью поверхностных состояний (N_ss ≈ 10¹⁰ см^-2·эВ^-1) [21, 13, 11, 26].

6.16. Полевой транзистор с затвором в виде р‑n перехода

Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р‑n перехода. На рисунке 6.20 показана одна из возможных топологий такого транзистора. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема, заключенная между обедненными областями р‑n переходов – каналом, а сильно легированные n⁺ области сверху и снизу – затвором полевого транзистора. Конструктивно ПТ с затвором в виде р‑n перехода может быть выполнен с использованием планарной технологии и в различных других вариантах.

При приложении напряжения V_GS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение р‑n перехода (V_GS > 0), происходит расширение обедненной области р‑n перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (N_D >> N_A). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток‑сток V_DS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения V_DS необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р‑n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению V_GS. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р‑n перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Рис. 6.20. Схематическое изображение полевого транзистора с затвором в виде р‑n перехода

Получим вольт‑амперную характеристику транзистора. Здесь, как и ранее, ось у направим вдоль канала, ось х – по ширине канала, ось z – по глубине канала. Обозначим длину, ширину и высоту канала при отсутствии напряжения на транзисторе как L, W, Н (V_GS = V_DS = 0).

При приложении напряжения к затвору V_GS > 0 и стоку V_DS < 0 произойдет расширение обедненной области р‑n перехода на величину Δl_об, равную:

. (6.88)

Поскольку напряжение исток‑сток V_DS распределено вдоль канала V_DS(у), то изменение ширины канала транзистора будет различно по длине канала. При этом высота канала h(y) будет равна:

. (6.89)

Введем напряжение смыкания V_G0 – напряжение на затворе, когда в квазиравновесных условиях (V_DS = 0) обедненные области р‑n переходов смыкаются: h(y) = 0.

Тогда из (6.89) следует, что

. (6.90)

Соотношение (6.89) с учетом (6.90) можно переписать в виде:

. (6.91)

Выделим на длине канала участок от у до у+dy, сопротивление которого будет dR(y). При токе канала I_DS на элементе dy будет падение напряжения dV_DS(y), равное:

. (6.92)

Величина сопротивления dR(y) будет равна:

. (6.93)

Подставим (6.92) в (6.93) и проведем интегрирование по длине канала:

. (6.94)

Поскольку удельное объемное сопротивление ρ равно , преобразуем величину :

. (6.95)

Здесь – заряд свободных дырок в канале на единицу площади.

Подставляя (6.95) в (6.94) и проведя интегрирование, получаем следующую зависимость тока стока I_DS от напряжения на затворе V_G и стоке V_DS для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода:

. (6.96)

При малых значениях напряжения исток‑сток в области плавного канала V_DS << V_G ток I_DS равен:

. (6.97)

Если сравнить соотношение (6.97) с выражением (6.10) для тока стока МДП полевого транзистора в области плавного канала, то видно, что эти выражения совпадают при малых значениях напряжения V_DS.

Из (6.91) следует, что при напряжениях V_G < V_G0 всегда можно найти такое напряжение на стоке V_DS , когда вблизи стока произойдет смыкание канала: h(y = L, V_G, V_DS) = 0.

Аналогично процессам в МДП ПТ это явление называется отсечкой. Из (6.91) следует, что напряжение отсечки V_DS^* будет равно:

. (6.98)

Также заметим, что выражение (6.98) аналогично соотношению (6.11) для напряжения отсечки МОП ПТ, а напряжение смыкания V_G0 имеет аналогом величину порогового напряжения V_Т.

По мере роста напряжения исток‑сток V_DS точка отсечки перемещается от истока к стоку. При этом аналогично МДП ПТ наблюдаются независимость тока стока от напряжения на стоке и эффект модуляции длины канала. Подставляя (6.98) в (6.96), получаем зависимость тока стока I_DS в области отсечки для полевого транзистора с затвором в виде р‑n перехода:

. (6.99)

В области отсечки выражение (6.99) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида:

. (6.100)

На рисунке 6.21а, б показаны вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде р‑n перехода. Их отличительной особенностью является то, что при напряжении на затворе V_G = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.

Рис. 6.21. Характеристики транзистора КП302Б:

а) выходные характеристики; б) начальные участки выходных характеристик

Быстродействие ПТ с затвором в виде р‑n переходов обусловлено зарядкой барьерных емкостей С_G затворных р‑n переходов через сопротивление канала R_K. Величина времени заряда . Емкость затвора С_G и сопротивление канала R_K равны:

; (6.101)

. (6.102)

Выражение (6.102) имеет минимальное значение при ширине обедненной области , при этом граничная частота

. (6.103)

При значениях H = L для кремния (ε_s = 11,8) с удельным сопротивлением ρ, равным ρ = 1 Ом·см, граничная частота будет составлять величину несколько гигагерц.

6.17. Микроминиатюризация МДП‑приборов

Полевые приборы со структурой металл – диэлектрик – полупроводник в силу универсальности характеристик нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС). Одна из основных задач микроэлектроники заключается в повышении степени интеграции и быстродействия интегральных схем. Для ИС на МДП‑приборах благодаря чрезвычайно гибкой технологии их изготовления эта задача решается несколькими путями. В основе одного из подходов лежит принцип двойной диффузии. Эта технология получила название Д‑МОП технологии, когда структура имеет планарный характер, и V‑МОП технологии, когда структура транзистора имеет вертикальный характер. Другой подход связан с пропорциональной микроминиатюризацией обычного планарного МДП‑транзистора и получил название высококачественной, или N‑МОП, технологии.

Таблица 3. Эволюция размеров и параметров МДП‑приборов

Параметры прибора (схемы)	n-МОП с обогащенной нагрузкой, 1972	МОП, 1980			Коэффициент изменения
Длина канала L, мкм			1-0,6	0,13	N -1
Поперечная диффузия LD, мкм	1,4	0,4			N -1
Глубина p-n переходов xB, мкм	2,0	0,8		0,07-0,13	N -1
Толщина затворного окисла dox, нм					N -1
Напряжение питания Vпит, В	4-15	2-4			N -1
Минимальная задержка вентиля , нс	12-15	0,5			N -1
Мощность на вентиль Р, мВт	1,5	0,4			N -2
Количество транзисторов в процессоре Intel	2,5 тыс	80 тыс	1,2 млн	42 млн	N -2

 

Согласно основным положениям модели пропорциональной микроминиатюризации при уменьшении длины канала в N раз для сохранения тех же характеристик транзистора другие его параметры (толщина окисла, ширина канала, напряжение питания) необходимо уменьшить в N раз, а концентрацию легирующей примеси в подложке увеличить в N раз. Действительно, при таком изменении, как следует из (6.8), величина порогового напряжения V_T и величина проводимости канала практически не изменяются. Быстродействие, определяемое временем пролета носителей через канал, согласно (6.31) возрастет в N раз, ток канала уменьшится в N раз, рассеиваемая мощность уменьшится в N² раз. В таблице 3 приведена динамика изменения основных параметров МДП‑приборов, проявляющаяся при пропорциональной микроминиатюризации.

Идеи и принципы пропорциональной микроминиатюризации позволяют использовать масштабирование МДП‑транзисторов при разработке интегральных схем на их основе. Такой подход позволил фирме Intel модернизировать процессоры персональных компьютеров каждые три-четыре года. В таблице 4 приведены этапы пропорциональной микроминиатюризации процессоров Intel за последние тридцать лет.

Таблица 4. Микроминиатюризация процессоров Intel

Модель	Год выпуска	Транзисторы	Тех. процесс	Тактовая частота
		2 250	10 мкм	108 КГц
		2 500	10 мкм	200 КГц
		5 000	6 мкм	2 МГц
		29 000	3 мкм	5-10 МГц
		120 000	1,5 мкм	6-12,5 МГц
		275 000	1,5-1 мкм	16-33 МГц
486DX		1 180 000	1-0,6 мкм	25-100 МГц
Pentium		3 100 000	0,8-0,35 мкм	60-200 МГц
Pentium II		7 500 000	0,35-0,25 мкм	233-450 МГц
Pentium III		24 000 000	0,25-0,13 мкм	450-1300 МГц
Pentium 4		42 000 000	0,18-0,13 мкм	>1400 МГц

 

На рисунке 6.22 показана в полулогарифмическом масштабе эволюция размеров МДП‑транзистора и длины его канала. Обращает внимание на себя тот факт, что принципы пропорциональной микроминиатюризации позволили вплотную придвинуться к размерам базового элемента интегральных схем, ниже которых находится предел, обусловленный физическими ограничениями [31].

Опыт разработки МДП‑транзисторов с длинами канала 0,25-0,1 мкм показывает, что в таких приборах резко нарастает количество новых физических явлений, в том числе и квантовых. Принцип пропорциональной микроминиатюризации при этих значениях линейных размеров уже перестает работать.

Рис. 6.22. Уменьшение размеров транзистора