12Лекция

Лекция 12. Эффект поля. МДП-транзистор.
Первые эксперименты по эффекту поля (исторический обзор). Роль границы раздела.
Полевой транзистор с p-n переходом. МДП-транзистор. Встроенный и индуцированный
канал. Основные характеристики МДП-транзистора.
Первые эксперименты по исследованию эффекта поля (его влияния на концентрацию
свободных носителей заряда в полупроводнике) были проведены американским физиком
Юлиусом Лилиенфельдом в 1925 году. Попробуем провести простые оценки, какие поля
необходимы для модуляции проводимости в полупроводнике. Тогда умели получать германий
или кремний с остаточной концентрацией примеси (например, доноров) до 10 18 см-3.
Максимальная напряженность электрического поля (вблизи границы) не должна превышать
порога ионизации – примерно 2-3 на 105 В/см для кремния или германия. Тогда из формулы 8.3
найдем величину максимального изгиба зон и размер ОПЗ.
E 
 s  max
8N d
2
W
Emax
4eN d
При наших параметрах, размер ОПЗ составит 0.02 микрона (2*10-6 см). В 1925 году умели
изготавливать пластинки полупроводника с минимальной толщиной 50 микрон. Тогда,
относительное изменение сопротивления пластинки при обеднении носителями слоя ОПЗ
составит примерно 0.04%. Но экспериментально измеряемая модуляция сопротивления была в
тысячи раз меньше. Виноваты поверхностные состояния. Если почти каждый атом поверхности
даст поверхностное состояние, их концентрация будет примерно 1015 см-2. Поверхностная
концентрация заряженных доноров в ОПЗ равна   WN d , и в нашем случае (если бы не было
поверхностных состояний) составляет 2*1012 см-2. Как видно, это почти на 3 порядка меньше, чем
плотность поверхностных состояний. С учетом диэлектрической проницаемости, заряд ОПЗ
практически на 4 порядка меньше поверхностного заряда на границе полупроводника. То есть в
полупроводнике с реальной поверхностью (если плотность поверхностных состояний велика),
изгиб зон вызван в основном потенциалом заряженных поверхностных состояний, и значительно
изменить его разумными полями невозможно. Уровень Ферми жестко закреплен на поверхности
(это явление называется пиннинг уровня Ферми).
Полевой транзистор с p-n переходом.
Идея Уильяма Шокли, 1952 год заключалась в том, чтобы уйти от поверхности. Физический
принцип понятен из рисунка 12.1.
Рисунок 12.1. Полевой транзистор с p-n переходом, рабочая конструкция с n-каналом.
1
Три контакта к транзистору называются исток (source), сток (drain), а между ними затвор
(gate). Прикладывая отрицательный потенциал к затвору можно увеличивать толщину
инверсного слоя и толщину обедненного слоя, тем самым, уменьшая толщину канала с n-типом
проводимости. При некотором смещении можно добиться полного перекрытия канала. Если
подложка изолирующая (диэлектрик) или полу-изолирующая (собственный полупроводник с
удельным сопротивлением на много порядков больше удельного сопротивления легированного
n-канала), то, сопротивление исток-сток очень велико. Транзистор закрыт. Это позволяет
использовать полевые транзисторы как ключи в некоторых схемах. Так называемые
тонкопленочные транзисторы (или ТПТ - полевые транзисторы на структурах стекло/тонкая
пленка аморфного либо поликристаллического кремния) используются в качестве управляющих
элементов в активных матрицах жидкокристаллических дисплеев.
Как уже отмечалось выше, поверхностные состояния, на которых закрепляется уровень
Ферми мешали реализовать идеи Лилиенфельда по созданию транзистора на эффекте поля.
Технологи долго искали такие способы нанесения диэлектрических покрытий на
полупроводники, чтобы плотность поверхностных состояний на границе раздела (interface) была
минимальна. Замечательным подарком природы явилось то, что такой системой является
гетероструктура кремний/диоксид кремния (Si/SiO2). Оказалось, что плотность поверхностных
состояний на данной гетерогранице может достигать величин менее 1010 см-2. Благодаря такому
свойству кремний становится основным материалом микроэлектроники. С 50-ых годов началось
производство МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) полевых транзисторов. Так как в
большинстве случаев в качестве диэлектрика используется окисел кремния (и лишь иногда –
нитрид кремния- Si3N4), то часто употребляют термин МОП-транзистор (металл-окиселполупроводник, английская аббревиатура MOS – metal-oxide-semiconductor).
Возможны два основных типа полевых транзисторов со встроенным каналом и с
индуцированным каналом (рисунок 12.2).
Рисунок 12.2. Схематическое изображение полевых транзисторов со встроенным каналом
(слева) и индуцированным каналом (справа) и зависимость их обратного сопротивления (G=1/R)
от напряжения на затворе Ug.
Транзистор со встроенным каналом при Ug=0 открыт, а с индуцированным каналом закрыт,
так как представляет собой два p-n перехода. Его сопротивление определяется большим
сопротивлением обратно смещенного p-n перехода. Транзистор с индуцированным каналом
открывается только при некотором пороговом напряжении Ut. Транзистор со встроенным
каналом закрыт при напряжении отсечки Up.
Основные характеристики полевых транзисторов.
2
1) Отношение вкл/выкл – ON/OFF.
Это соотношение между токами исток-сток в открытом и закрытом состоянии (которое
определяется напряжением на затворе), при том же рабочем напряжении исток-сток.
Определяется топологией транзистора и токами утечки, то есть током в закрытом состоянии. К
примеру, у ТПТ-транзисторов которые используются в качестве управляющих элементов в
активных матрицах жидкокристаллических дисплеев, это соотношение должно быть 106-107.
2) Крутизна.
Важной характеристикой является отношение изменения тока исток-сток к изменению
напряжения на затворе. Эта характеристика называется крутизной и измеряется в сименсах (1
Сим = 1 Ом-1).
S
I sd
U g
(12.1)
Естественно, крутизна зависит от напряжения исток-сток, и, обычно приводится для
полевого транзистора работающего в режиме насыщения (о котором будет сказано ниже).
Крутизна транзистора в этом режиме максимальна.
3) Величина тока исток-сток в открытом состоянии (в режиме насыщения).
Определяется топологией транзистора (шириной и длинной канала), а также подвижностью
носителей заряда. Рассмотрим зависимость тока через канал (в открытом состоянии) от
напряжения исток-сток. Казалось бы, этот ток определяется сопротивлением канала и всегда
растет пропорционально напряжению исток-сток. Но канал обладает конечным сопротивлением
и не эквипотенциален. Как это схематически видно из рисунка 12.3, ширина канала зависит от
напряжения на стоке, и при некотором напряжении, ток уже практически не зависит от
напряжения – наступает режим насыщения.
Рисунок 12.3. Механизм возникновения режима насыщения полевого транзистора.
4) Быстродействие.
Понятно, что мгновенно включить или выключить транзистор (мгновенно поменяв
напряжение на затворе) нельзя. Чтобы канал, например из закрытого стал открытым, необходимо
3
его заполнить носителями заряда. Они могут прийти в канал только из истока или стока. Время,
за которое носители заполнят канал длиной L, и будет определять время его переключения:

L
L

vs E
(12.2)
Это время определяется подвижностью носителей заряда, и
быстродействующих арсенид-галлиевых транзисторах нескольких пикосекунд.
4
достигает
в