Устройство и принцип действия, УГО, статические характеристики и параметры ПТ с изолированным затвором со встроенным и индуцированным каналом

2. Транзисторы с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

3. МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

а) напряжение на затворе отсутствует V G = 0;

б) напряжение на затворе больше порогового напряжения V G > V T (V G < 0)

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

4. МДП-транзисторы со встроенным каналом

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3). Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки U_ЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Формулы расчёта в зависимости от напряжения U_ЗИ

Раздел 3. Микроэлектроника

Подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов с геометрическими размерами характерных элементов порядка нескольких микрометров и меньше^[1]. Такие устройства обычно производят из полупроводников и полупроводниковых соединений, используя фотолитографию и легирование. Большинство компонентов обычной электроники: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, изоляторы и проводник — также применяются и в микроэлектронике, но уже в виде миниатюрных устройств в интегральном исполнении. Цифровые интегральные микросхемы по большей части состоят из транзисторов. Аналоговые интегральные схемы также содержат резисторы и конденсаторы. Катушки индуктивности используются в схемах, работающих на высоких частотах. С развитием техники размеры компонентов постоянно уменьшаются. При очень большой степени интеграции компонентов, а следовательно при очень малых размерах каждого компонента, очень важна проблема межэлементного взаимодействия — паразитные явления. Одна из основных задач проектировщика — компенсировать или минимизировать эффект паразитных утечек.

Различают такие направления микроэлектроники, как интегральная и функциональная^[2].

Тема 3.1. Технологические основы интегральных схем.

Интегра́льная микро - схе́ма (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit,IC,microcircuit), чип, микрочи́п (англ. microchip, silicon chip, chip — тонкая пластинка — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки. ^[1]

Планарная интегральная технология. — совокупность технологических операций, используемая при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов иинтегральных микросхем. На вход технологии поступают пластины, называемыми подложками. Состав материала подложек, кристаллическая структура (вплоть до межатомных расстояний в подложках для современных процессоров) и кристаллографическая ориентация строго контролируются. В ходе технологического процесса в приповерхностном слое полупроводникового материала, являющегося подложкой или нанесённого на подложку, создают области с различным типом или величиной проводимости, определяемой в конечном счёте различной концентрацией донорных и акцепторных примесей, а также материалом слоя. Поверх слоя полупроводникового материала, с использованием в нужных местах прослоек диэлектрического материала, наносятся слои проводящего материала, образующего контактные площадки и необходимые соединения между областями. Области и слои проводника, полупроводника и диэлектрика в совокупности образуют структуру полупроводникового прибора или интегральной микросхемы.

Особенность планарной технологии состоит в том, что после завершения каждой технологической операции, восстанавливается плоская (планарная) форма поверхности пластины, что позволяет создавать достаточно сложную структуру, используя конечный набор технологических операций.

Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. Также в случае изготовления на одной пластине идентичных приборов параметры всех приборов оказываются близкими. Ограничителем является только площадь подложки, поэтому диаметр подложек по мере развития технологий производства подложек стремятся увеличивать.

Для контроля качества выполнения промежуточных операций на подложке, как правило, выделяют несколько малых областей (обычно в центре и на периферии), на которых в ходе штатного технологического процесса формируются тестовые проводящие дорожки и элементарные приборы (конденсаторы, диоды, транзисторы и т.п.). В этих же областях формируют контактные площадки относительно большой площади для тестирования годности пластин перед скрабированием (разделением на отдельные приборы). Для совмещения изображений при фотолитографии также в специально выделенной области формируются знаки совмещения, подобные тем, какие можно встретить на многоцветной печатной продукции.

Применение компенсированных полупроводников.

Компенсированный полупроводник - легированный полупроводник с примерно одинаковой концентрацией доноров и акцепторов, свойства которого близки к собственным полупроводникам.

Для многих практических применений возникает потребность получать полупроводники с малой проводимостью. Лучше всего этой потребности соответствуют собственные полупроводники, но для их получения требуется совершенная очистка от примесей. Часто это слишком трудно, особенно, когда возникает потребность в высокоомной области внутри уже легированного участка полупроводникового прибора.

Для получения малой проводимости необходимо сместить уровень химического потенциала внутрь запрещённой зоны. Этого можно достичь, добавляя акцепторы к исходному полупроводнику n-типа, или доноров к полупроводнику p-типа. Как следствие, возникают компенсированные полупроводники. В них электроны с донорных уровней переходят на акцепторные уровни, заполняя их и уменьшая концентрацию дырок.

Подготови­тельные операции.

Технологическая цепочка состоит из серии циклов (до нескольких десятков), включающих в себя следующие основные операции (в порядке следования):

· подготовка подложки: применяется механическая и химическая полировка для получения плоской поверхности без механических дефектов (выполняется 1 раз, при поступлении подложки в техпроцесс);

· формирование на поверхности подложки слоя необходимого материала с заданной структурой: эпитаксиальное наращивание, осаждение диэлектрических или металлических плёнок (операция выполняется не в каждом цикле);

· создание на поверхности подложки защитного слоя: в случае кремниевых подложек для этого используется окисление поверхности, для удешевления процесса, а также в случае других подложек, часто используется эпитаксиальное наращивание слоя диоксида или нитрида кремния, либо другого материала с низким коэффициентом диффузии легирующих примесей. Толщина слоя подбирается так, чтобы за время, необходимое для создания легированной области необходимой конфигурации в подложке, легирующий элемент не достиг подложки сквозь защитный слой;

· нанесение слоя фоторезиста, обладающего устойчивостью к используемым травителям;

· совмещение изображений по знакам совмещения и экспонирование рисунка окон на слой фоторезиста (выполняется на степперах);

· стравливание исключительно засвеченных (либо незасвеченных -- зависит от типа фоторезиста) участков слоя фоторезиста;

· стравливание защитного слоя с подложки на участках, не закрытых фоторезистом;

· удаление остатков слоя фоторезиста;

· возможная операция: внедрение легирующих примесей нередко проводят в двухстадийном процессе, разделяя фазы загонки примеси в приповерхностную область и разгонки загнанной примеси по требуемому объёму (отжига); загонка производится путём локальной (с поверхности или из газовой фазы) диффузии или ионной имплантации легирующих примесей через окна в защитном слое в поверхность подложки; режимы диффузии (имплантации) подбираются так, чтобы за время этой и всех последующих технологических операций размер легированной области достиг требуемых размеров по площади и глубине, а нарушенная радиацией при ионном легировании кристаллическая решётка восстановилась;

· возможная операция: плазменное или химическое травление поверхности подложки для удаления излишков слоя ранее осаждённого материала.

· плазменное или химическое травление поверхности подложки для удаления защитного слоя (выполняется не в каждом цикле).

· планаризация^[1] (сглаживание неровностей) поверхности перед переходом к новому циклу, например при помощи процесса CMP.

Основные циклы, выполняемые при создании полупроводниковых приборов, следующие:

· формирование областей р-типа (локальное внедрение примесей)

· формирование областей n-типа (локальное внедрение примесей)

· формирование проводящих дорожек и контактных площадок (удаление излишков слоя металла)

Эпитаксия. — это закономерное нарастание одного кристаллического материала на другой (от греч. επι — на и ταξισ — упорядоченность), т.е. ориентированный рост одногокристалла на поверхности другого (подложки). Строго говоря, рост всех кристаллов можно назвать эпитаксиальным: каждый последующий слой имеет ту же ориентировку, что и предыдущий. Различают гетероэпитаксию, когда вещества подложки и нарастающего кристалла различны (процесс возможен только для химически не взаимодействующих веществ, например так изготавливают интегральные преобразователи со структурой кремний на сапфире), и гомоэпитаксию, когда они одинаковы. Ориентированный рост кристалла внутри объёма другого называется эндотаксией.

Эпитаксия особенно легко осуществляется, если различие постоянных решёток не превышает 10 %. При больших расхождениях сопрягаются наиболее плотноупакованные плоскости и направления. При этом часть плоскостей одной из решёток не имеет продолжения в другой; края таких оборванных плоскостей образуют дислокации несоответствия.

Эпитаксия происходит таким образом, чтобы суммарная энергия границы, состоящей из участков подложка-кристалл, кристалл-среда и подложка-среда, была минимальной.

Эпитаксия является одним из базовых процессов технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Диффузионное и ионное легирование.

Легирование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

В разных отраслях применяются разные технологии легирования.

В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных химических элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.

При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

Цели легирования

Основная цель — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объёме полупроводника для получения заданных свойств (проводимости, получения требуемой плавностиpn-перехода). Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип).

Способы легирования

В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация, нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ) и термодиффузия.

Термическое окисление.

термическое — окисление стали при высоких температурах: в атмосфере перегретого водяного пара при 200—480 °C или в парах аммиачно-спиртовой смеси при 520—880 °C, в расплавленных солях при 400—600 °C, а также в воздушной атмосфере при 310—450 °C с предварительным покрытием поверхности деталей тонким слоем асфальтового или масляного лака.

Трав­ление — группа технологических приёмов для управляемого удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием специально подбираемых химических реактивов. Ряд способов травления предусматривает активацию травящих реагентов посредством других физических явлений, например, наложением внешнего электрического поля при электрохимическом травлении, ионизацией атомов и молекул реагентов при ионно-плазменном травлении и т.п.

В литературе термин «травление», как правило, сопровождается определением, поясняющим конкретную технологию травления (химическое, кислотное, щелочное, электрохимическое и т.п.). При использовании термина «травление» без дополнительного определения, как правило, подразумевается химическое травление в водном электролите.

Если часть поверхности, подвергаемой травлению, требуется сохранить, то она защищается (химически или механически) путём наложения специальной маски.

Основные виды травления:

1. химическое («жидкое»),

2. электрохимическое,

3. ионно-плазменное («сухое»).

Литография. — способ печати, при котором краска под давлением переносится с плоской печатной формы на бумагу. В основе литографии лежит физико-химический принцип, подразумевающий получение оттиска с совершенно гладкой поверхности (камня), которая, благодаря соответствующей обработке, приобретает свойство на отдельных своих участках принимать специальную литографскую краску.

Разрешающая способность.

Разрешающая способность фоторезиста определяется как максимальное количество минимальных элементов на единице длины (1мм). R=L/2l, где L — длина участка, мм; l — ширина элемента, мм. Разрешающая способность позитивного фоторезиста считается более высокой, что определило его более широкое использование.

Фоторезист (от фото и англ. resist) — полимерный светочувствительный материал. Наносится на обрабатываемый материал в процессе фотолитографии или фотогравировки с целью получить соответствующее фотошаблону расположение окон для доступа травящих или иных веществ к поверхности обрабатываемого материала.

Степень интеграции.

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

· малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,

· средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,

· большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле,

· сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 млрд элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 млрд элементов в кристалле, но в настоящее время^{[ когда? ]} название УБИС и ГБИС практически не используется и все схемы с числом элементов, превышающим 10 тыс., относят к классу СБИС.

Изоляция элементов инте­гральных схем с помощью обратно смещенных встречно

включенных р — п - переходов и диэлек­трика.

В конце 1958 года инженер-физик Sprague Electric Company Курт Леговец посетил семинар в Принстоне, на котором Торкл Уолмарк изложил своё видение фундаментальных проблем микроэлектроники. Возвращаясь домой в Массачусетс, Леговец нашёл простое решение проблемы изоляции компонентов на кристалла — изоляцию p-n-переходом Транзисторы формировались сплавным способом: к ячейкам n-типа с двух сторон приваривались индиевые или индий-галлиевые бусины — коллекторы и эмиттеры сплавных PNP-транзисторов^[33]. Все электрические соединения выполнялись вручную золотой проволокой. Низкое напряжение питания (-1.5 В) позволило использование непосредственных связей между каскадами (в схеме отсутствуют разделительные конденсаторы) и свело к минимуму вероятность защёлкивание тиристорных PNPN-структур разделительных пакетов.

Комбинированный способ изоляции.

Осаж­дение тонких пленок.

Тонкие плёнки (англ. thin films) — тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (моноатомного слоя) до нескольких микрон^[1].

Изготовление пассивных эле­ментов полупроводниковых и гибридных ИС (интегральных схем)

В зависимости от метода изготовления неразъёмно связанных элементов различают гибридные плёночную и полупроводниковую интегральные схемы.

Сбо­рочные операции и герметизация.

Присоединение выводов к кристаллу

1. термокомпрессионная сварка

2. ультразвуковая сварка

3. косвенного импульсного нагрева

4. сварка сдвоенным электродом

5. лазерная точечная сварка

6. электронно-лучевая сварка

7. беспроволочный монтаж элементов с объёмными выводами

Герметизация кристалла

Методы герметизации — выбор метода зависит от материала и формы корпуса. Корпуса бывают герметичные(металло-стеклянные, металло-керамические, керамические, стеклянные) и негерметичные (пластмассовые, керамические). Сварка: холодная сварка; электроконтактная сварка: контурная, роликовая, микроплазменная, аргонно-дуговая, лазерная, электронно лучевая; Пайка: конвективная в печах, струёй горячего газа; склеивание; герметизация пластмассой.

Тестирование

При тестировании контролируется качество крепления выводов, а также устойчивость приборов(кроме негерметичных) к экстремальным климатическим условиям на стенде тепла и влаги и механическим воздействиям на ударном и вибростенде, а также их электрические свойства. После тестирования приборы окрашивают и маркируют.

Преимущества интегральной технологии.

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера

Дата добавления: 2015-05-06