Металл-диэлектрик-полупроводник

Некоторые сведения о структурах

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЕВЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

4.1. Контрольные вопросы по лабораторному заданию №1

4.1.1. Примеры структуры и топологии интегральных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.

4.1.2. Схема включения ПТУП с общим истоком и полярности рабочих напряжений.

4.1.3. Влияние напряжений затвор-исток и сток-исток на процессы в канале и величину тока стока. Принцип действия ПТУП.

4.1.4. Выходные статические ВАХ полевого транзистора с p-n затвором.

4.1.5. Передаточные характеристики полевого транзистора с p-n затвором.

4.1.6. Статические параметры полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

4.1.7. Низкочастотные малосигнальные параметры полевого транзистора с управляющим p-n переходом и их определение по статическим характеристикам.

4.1.8. Схема измерительной установки и методика измерений. Результаты эксперимента, их анализ и выводы по лабораторной работе.

4.2. Контрольные вопросы по лабораторному заданию №2

4.2.1. Дайте классификацию усилителей электрического сигнала. Назовите основные технические параметры усилителя.

4.2.2. Что такое коэффициент усиления (преобразования)? В каких единицах он измеряется?

4.2.3. Изобразите схему усилителя на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом. Поясните назначение элементов схемы.

4.2.4. Что такое рабочая точка? Критерии для выбора рабочей точки.

4.2.5. Почему при усилении электрического сигнала усилительным каскадом, изображенном на рис. 12, происходит инверсия выходного напряжения?

4.2.6. Какими факторами определяется коэффициент усиления по напряжению для низкочастотного сигнала?

4.2.7. Какими факторами определяются частотные свойства усилителя?

4.2.8. Схема измерительной установки и методика измерений. Результаты эксперимента, их анализ и выводы по лабораторной работе.

4.2.9. Назовите основные характеристики усилителя и поясните способ их экспериментального определения.

4.2.10. Перечислите основные параметры усилителя. Поясните, каким образом они могут быть измерены экспериментально (на примере лабораторной установки).

Цель работы: получение статических вольтамперных характеристик полевых МОП транзисторов с индуцированным каналом и встроенным каналом. Определение основных статических параметров МОП-транзисторов по их статическим характеристикам.

Большая часть выпускаемых современной промышленностью полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС) имеют в своём составе структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП - структуры). В кремниевых микросхемах в качестве диэлектрика удобнее всего использовать диоксид кремния (SiO₂), получаемый методом термического окисления кремния. Такие структуры принято называть МОП-структурами (рис 1).

Они являются наиболее ответственной частью полевых транзисторов с индуцированным каналом – базовым элементом МОП-ИМС, и именно они будут рассматриваться далее. Основными геометрическими характеристиками МОП структуры являются:

• толщина слоя окисла X_ox. В современных МОП-транзисторах толщина подзатворного окисла может быть менее 500 А⁰ (0,05 мкм), в то время как толщина изолирующего слоя диоксида кремния составляет ~1000÷3000 А⁰ (0,1÷0,3 мкм);
• толщина металлической плёнки управляющего электрода (затвора) X_МЕ. Обычно она составляет величину ~0,2÷1 мкм.

Металл V_B= 0 _o (V_G–V_FB) V y_S -X_OX W_max x W_max L_i E_X E_OX E_S(0) x -X_OX W_max L_i Q_d Q_n -qn_S -qN_A n_S > N_A – + Q_SC = Q_n+Q_d Q_G = -(Q_n+Q_d) r -X_OX qN_A x + + + – + +   + + + + n_S>N_A L_i qy_S qФ_S qФ_P – E E_ох E_ext + – + X_OX а) Al SiO₂ p-Si E_C E_i E_FS E_V W г)   в) б) Рис. 3. Простая идеальная Al/SiO₂/p-Si-структура в режиме сильной инверсии:   а – энергетическая зонная диаграмма идеальной Al/SiO₂/p-Si-структуры в режиме сильной инверсии (n_S>N_A): Величина qV_OX показана в уменьшенном масштабе; б – распределение зарядов в режиме силь-ной инверсии идеальной Al/SiO₂/p-Si-структуры: Заряд обедненной области Q_d показан в приближении полного обеднения; в – распределение напряженности электро-статического поля в режиме сильной инвер-сии идеальной Al/SiO₂/ p-Si-структуры; г – распределение электростатического потенциала в режиме сильной инверсии идеальной Al/SiO₂/p-Si-структуры. Потенциал в глубине подложки принят равным нулю V_OXXX E_FM W в) E_OX qV_OX = 0,4эВ 3,15 эВ + + + qy_S=0,4эВ qФ_p = -0,29эВ E_g= 1,12 эВ 3,8 эВ X_OX б) Al SiO₂ p-Si 3,1 эВ E_C E_i E_F E_V W qФ_Si qc_Si qФ_Al E_i 3,1эВ 3,8эВ 3,15эВ E_g/2=0,56эВ qc_SiO2 E_V E_FS E_FMMM E_C E₀ E₀ p-Si SiO₂ а) Al p-Si SiO₂ Al r -X_OX qN_A x + +   + Рис. 2 Идеальная Al/SiO₂ /p-Si-структура при T=300K и V_G = 0 (N_A= 1,1×10¹⁵ см^-3, X_OX = 0,1 мкм, qc_SiO2= 0,95 эВ, qФ_Si = 4,9 эВ, qc_Si=4,05эВ, qФ_Al » 4,1 эВ): а – энергетическая зонная диаграмма структуры при отсутствии электронного обмена между металлом и полупроводником. Е₀ – уровень вакуума;   б – энергетическая зонная диаграмма идеальной Al/SiO₂/p-Si-структуры с N_A= 1,1×10¹⁵ см^-3 и X_OX = 0,1 мкм в состоянии равновесия при V_G = 0. Опорный энергетический уровень вакуума E₀ не показан. Вблизи границы SiO₂/Si кремний находится в режиме обеднения;   в – распределение заряда в идеальной Al/SiO₂/ p-Si-структуре (Ф_MS<0) в состоянии равновесия при V_G = 0 в приближении полного обеднения Омический контакт В В p-Si p-Si Х_0Х Р -подложка SiO₂ Х_МЕ G G с

C

З

З

а) б)

	П		Омический контакт

Рис. 1. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник:

а – простая структура; б – сложная структура

(схематически)

В качестве материала затвора МОП-транзисторов используют получаемые вакуумным напылением плёнки металлов (Al, W, Mo и др.), слои сильнолегированного поликремния, а также двухслойные композиции – легированный поликремний/силицид тугоплавкого металла. Для краткости все такие структуры продолжают называть МОП-структурами. В таблице перечислены некоторые термины и обозначения, используемые при рассмотрении МДП-структур и приборов на их основе. Далее будет рассматриваться только так называемая идеальная МОП - структура, у которой отсутствуют поверхностные состояния на границе диэлектрик-полупроводник, а также нескомпенсированные заряды в диэлектрике. Сопротивление диэлектрика предполагается бесконечным.

Русский термин	Английский термин	Обозначения поданных на электрод потенциалов
Затвор Подложка Канал Исток Сток	Gate Body Channel Source Drain	VG VB VC VS VD

Простая идеальная МОП-структура в состоянии

равновесия при отсутствии напряжения на затворе

Рассмотрим простую идеальную МОП-структуру с алюминиевым затвором и кремниевой подложкой p-типа (Al/SiO₂/p-Si-структуру). Примем для конкретности, что подложка легирована однородно до уровня N_A=1,1∙10¹⁵см^-3 (ρ~10 Ом∙см), и толщина слоя диоксида кремния X_OX=0,1 мкм. При отсутствии электронного обмена между металлом и полупроводником уровни характерных энергий в трёх составляющих такой структуры будут располагаться так, как показано на энергетической зонной диаграмме (ЭЗД) рис. 2а /6/. Поскольку контактная разность потенциалов Ф_MS=Ф_M-Ф_S=4,1-4,9=-0,8(В) < 0, то при отсутствии внешнего напряжения (V_ЗИ=0) и возникновении электронного обмена между металлом и полупроводником (например, через внешнюю цепь) станет энергетически выгодным некоторой части электронов перейти от металла к полупроводнику. Эти электроны будут захвачены акцепторами, расположенными вблизи границы SiO₂/Si.

В состоянии равновесия при V_ЗИ=0 МОП-конденсатор заряжен до разности потенциалов, соответствующей разности работ выхода из металла и из полупроводника. Эта разность потенциалов распределится между окислом и приграничной областью пространственного заряда в кремнии. Можно показать, что для рассматриваемой структуры V_OX ≈ ψ_S ≈ 0,4 В (рис. 2б).

Разумеется, во всей цепи при отсутствии внешнего напряжения алгебраическая сумма скачков потенциала обращается в ноль в силу потенциальности электростатического поля. Однако при рассмотрении одномерной модели МОП - структуры сосредотачивают внимание на областях, непосредственно примыкающих к диэлектрической прослойке между металлом и полупроводником, а всех скачков потенциалов не учитывают и на ЭЗД не отображают.

Простая идеальная МОП-структура в режиме инверсии

Рассмотрим теперь влияние напряжения смещения на затворе V_G на энергетическую зонную диаграмму и распределение зарядов простой идеальной МОП-структуры /4, 6/. Будем рассматривать лишь состояния, когда существует диффузионно-дрейфовое равновесие между всеми областями подложки.

При этом энергия Ферми в полупроводнике имеет повсюду одно и то же значение. Для удобства потенциал в глубине подложки примем равным нулю (ψ_П = V_П = 0). Пусть на затвор Al/SiO₂/p-Si структуры подано положительное относительно подложки (контакта к подложке) напряжение V_ЗП > 0. (Более подробно все режимы МОП-структуры рассмотрены в /4, 6/.) Положительное напряжение на затворе V_ЗП > 0 отталкивает от примыкающей к диэлектрику поверхности полупроводника дырки и притягивает электроны. Следовательно, энергетические зоны в приповерхностной области полупроводника Al/SiO₂/p-Si структуры под действием такого напряжения искривятся ещё больше, чем в состоянии равновесия (рис. 2б).

E_FM

V_OXXX

При достаточно большом положительном смещении V_ЗП >0 уровень середины запрещённой зоны кремния E_i на границе SiO₂/Si опустится ниже уровня Ферми в полупроводнике E_FS. Тип проводимости полупроводника вблизи границы SiO₂/Si станет противоположным типу проводимости в его квазинейтральной части. Наступит так называемый режим инверсии проводимости – сначала слабой, а затем, по мере увеличения V_ЗП > 0, и сильной (рис. 3). Между инверсным n-слоем и подложкой p-типа возникает (индуцируется) p-n переход, изолирующий инверсный слой от подложки. На рис.3в и рис 3г показаны схематически распределения напряжённости и потенциала электрического поля рассматриваемой структуры в режиме сильной инверсии. Благодаря предполагаемому отсутствию сторонних зарядов на границе SiO₂/Si (МОП – структура идеальная) нормальная составляющая вектора электрической индукции непрерывна на этой границе и, следовательно, имеет место равенство . Смысл принятых обозначений ясен из рис.3. Из-за различия диэлектрической проницаемости диоксида кремния (ε_оx=3,9) и кремниевой подложки (ε_Si=11,7) /4/ напряженность электрического поля на границе SiO₂/Si изменяется скачком ().

Дата добавления: 2014-11-18