МОП-транзисторов

Кафедра физической электроники и нанотехнологий
Белорусский государственный университет
доцент
ЖЕВНЯК Олег Григорьевич
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В
ПРИБОРНЫХ СТРУКТУРАХ МЕТАЛЛОКИСЕЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
Для студентов
специальности:
1-31 04 03 Физическая электроника
специализации:
1-31 04 03 01 Твердотельная электроника
КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ
Лекция 1.
Введение
Вопросы для рассмотрения:
1. Транзисторные функции МОП-транзисторов
2. МОП-транзисторы как элементы современных микросхем
§ 1. Транзисторные функции МОП-транзисторов
МОП-транзистором называется устройство, созданное на основе конструкции металл–окисел–полупроводник. Иногда вместо окисла используется диэлектрик не являющийся оксидом (например, Si3N4), поэтому правильнее называть данное устройство МДПтранзистором (металл–диэлектрик–полупроводник). Однако окисел употребляется в подавляющем большинстве случаев, и потому традиционно эти транзисторы называют
МОП-транзис-торами.
Как и обычный транзистор, МОП-транзистор имеет три электрода. Один из электродов является базовым (обычно заземлен) — он называется истоком, второй является
входным и называется затвором и третий является выходным и называется стоком. Ключевой особенностью МОП-транзисторов, отличающих их, например, от биполярных транзисторов, является наличие в МОП-транзисторах входного и выходного напряжений и
только одного выходного тока — входного тока нет. Это обусловлено тем, что входной
электрод изолирован от области протекания электрического тока в транзисторе так называемым подзатворным окислом и потому через него не протекает никакого входного тока.
На рис. 1 приведена схема конструкции типичного МОП-транзистора. Выходной
ток приведенного на рисунке прибора образуют электроны, поэтому его еще называют nканальным, а конструкция транзистора представляет собой контакты полупроводниковых
областей разной проводимости типа n-p-n. Цепь протекания электрического тока образуют электрод, на который подается напряжение VS, далее n+-область истока, поток участок
подложки p-типа между n+-областями истока и стока непосредственно под подзатворным
окислом SiO2, далее n+-область стока и, наконец, электрод, на который подано напряжение VD.
Величина тока, протекающего в транзисторе, во многом определяется напряжением, подаваемым на электрод затвора — напряжением VG. Появление этого напряжения на
затворе будет способствовать образованию подвижных носителей в подложке у поверхности раздела кремний-оксид кремния (Si/SiO2) по принципу конденсатора, так как
конструктивно затвор с одной стороны подзатворного окисла, а подложка с другой стороны этого окисла формально и являются обкладками конденсатора, а любое напряжение,
подаваемое на любую обкладку конденсатора, вызывает их зарядку согласно известному
выражению электростатики Q  CU . Величина емкости подзатворного окисла МОПтранзистора совпадает с емкостью плоского конденсатора и может быть рассчитана с
S
помощью формулы C  ox 0
, где ox – диэлектрическая проницаемость оксида кремdox
ния,  0 – диэлектрическая постоянная, S – ширина поверхности подзатворного окисла и
dox – толщина подзатворного окисла. При этом, как известно, положительное напряжение
на одной из обкладок конденсатора вызовет формирование на этой же обкладке положительного заряда, а на противоположной — отрицательного. Соответственно положительное VG на затворе представленного на рис. 1 МОП-транзистора на поверхности раздела Si/SiO2 между областями истока и стока вызовет появление отрицательного заряда, т.е.
появление электронов (заряда n-типа). Поэтому МОП-транзистор с конструкцией областей n-p-n и получил название n-канального, так как ток в нем переносят электроны, которые возникают в подложке между истоком и стоком благодаря подаче на затвор положительного напряжения.
VG
затвор
VS
VD
dox
исток
n+ dj
SiO2 (окисел)
n+
Lch
сток
dch
p – Si
Рис. 1. Типичная конструкция МОП-транзистора
Также создаются МОП-транзисторы, у которых выходной ток образуют дырки. Такие приборы называют p-канальными, и они имеют конструкцию типа p-n-p. Очевидно,
что в подложке между истоком и стоком появление дырок обеспечивается подачей на затвор отрицательного напряжения.
В МОП-транзисторе выделяют следующие конструктивно-технологические параметры: размеры области истока с электродом истока, на который подают напряжение
истока VS; размеры затвора с электродом затвора, на который подают напряжение затвора
VG; размеры области стока с электродом стока, на который подают напряжение стока VD;
длина канала Lch, которую при миниатюризации МОП-транзисторов стремятся уменьшать;
уровень легирования областей истока и стока n+ – значение концентрации донорной примеси в них обычно изменяется в диапазоне 1025÷1026 м–3; глубина залегания этих областей
dj , которая обычно связана с длиной канала (порядка Lch / 4) и изменяется в диапазоне
0,05÷0,3 мкм; толщина подзатворного окисла dox, равная в МОП-транзисторах, используемых в современных микросхемах, 3÷8 нм; толщина подложки dch, обычно произвольного
размера, превышающего величину Lch; уровень легирования подложки акцепторной примесью NA, которая изменяется в широких пределах в зависимости от длины канала, увеличиваясь с ее уменьшением, и обычно имеет значения 1022÷1024 м–3. Величины данных параметров в конкретном приборе прямо зависят от технологического процесса его создания, который состоит из множества этапов — окисления, диффузии, имплантации, отжига, нанесения металлизации, нанесения изоляции и ряда других операций — потому эти
параметры и получили название конструктивно-технологических.
МОП-транзистор имеет стандартные для всех транзисторов входную и выходную
характеристики. В связи с тем, что в МОП-транзисторе течет только один ток — он же
выходной и он же ток стока — входная характеристика МОП-транзистора определяется
как зависимость тока стока от входного напряжения (напряжения затвора) при постоянном выходном напряжении (напряжении стока), а выходная характеристика — как зависимость тока стока от напряжения стока при постоянном напряжении затвора. На рис. 2 и
3 приведены типичные виды этих характеристик для n-канального МОП-транзистора (т.
е. с конструкцией типа n-p-n).
Входная характеристика является стандартной характеристикой диода. Это значит,
что МОП-транзистор в отношении входного напряжения ведет себя как диод. Для конструкции типа n-p-n положительное VG будет являться прямым — открывающим диод, а
отрицательное VG — обратным, закрывающим диод. Для конструкции типа p-n-p полярность соответствующих напряжений VG изменится — отрицательное напряжение станет
прямым, а положительное — обратным.
ID
ID
VD2 > VD1
VG3 > VG2 > VG1
VG3
VD2
VD1
VG2
VG1
VG
Рис. 2. Типичная входная характеристика
МОП-ранзистора
VD
Рис. 3. Типичная выходная характеристика
МОП-транзистора
Анализ входной характеристики позволяет отметить интересную закономерность
— если продолжить все линейные участки зависимостей тока вниз до пересечения с осью
VG, то предполагаемые кривые сойдутся в одной точке. Эта точка задает определенное
значение VG, называемое пороговым (и обозначается как VT), при котором ток стока близок к нулю или точнее начинает стремительно изменяться. При напряжениях VG меньше
пороговых ток стока очень мал и в практических случаях считается равным 0. При напряжениях VG чуть больше порогового ток стока начинает быстро увеличиваться. Наличие
порогового напряжения, т.е. диапазона изменения VG < VT, для которого ток стока отсутствует, связано с физикой работы МОП-транзисторов и обусловлено так называемыми паразитными падениями напряжения в окисле и в полупроводнике, которые непосредственно
не связаны с движением электронов и формированием тока стока.
Выходная характеристика является последовательной ВАХ двух резисторов. При
малых напряжениях VD в выходной цепи МОП-транзистора включается относительно малоомный резистор (с небольшим сопротивлением), и кривые ВАХ идут довольно круто.
При увеличении стокового напряжения и достижении определенной величины VD, называемой напряжением насыщения VDsaе, в выходной цепи включается резистор с намного
большим сопротивлением, и кривые ВАХ начинают идти заметно более полого (в некоторых МОП-транзисторах фактически даже параллельно оси VD). Очевидно, что с увеличением VG заметно увеличивается ток стока, что свидетельствует о том, что с ростом VG значительно уменьшается сопротивление первого малоомного резистора в выходной цепи.
При этом, как правило, сопротивление второго, многоомного резистора практически не
изменяется.
Таким образом, выходную цепь МОП-транзистора можно рассматривать как последовательное соединение диода, управляемого одним входным напряжением, и переменного резистора, управляемого обоими напряжениями — входным и выходным.
§ 2. МОП-транзисторы как элементы современных микросхем
Развитие современной электроники базируется на цифровой обработке информации. Все современные электронные устройства — компьютеры, ноутбуки, сотовые телефоны, видеокамеры, DVD-плееры и т.п. — основаны на использовании высококачественных и высокоскоростных микросхем. Мировая электронная промышленность
выпускает огромное количество микросхем разных типов, классов, мощностей. Существует множество классификаций микросхем — однако по функциональности ис-
пользования в них МОП-транзисторов все микросхемы можно разбить на три большие
группы — радиотехнические микросхемы, микропроцессоры и микросхемы памяти. До 90
% всех элементов, из которых состоят данные микросхемы, составляют МОПтранзисторы. Но в каждой из этих трех групп они по-разному соединены друг с другом.
Радиотехнические микросхемы представляют собой схемы, направленные на обработку радиосигналов (в основном это усилители, генераторы, делители) и состоят из множества элементарных электронных элементов — резисторов, диодов, конденсаторов и
транзисторов. МОП-транзисторы используются в этих микросхемах в качестве всех этих
элементов.
Транзисторные функции МОП-транзисторов определяются их работой в активном
режиме, т.е. подачей на затвор и сток напряжений, обеспечивающих типичные вольтамперные характеристики этих приборов (см. рис. 2 и 3).
В качестве резистора МОП-транзистор может служить по причине того, что его
общее сопротивление определяется как RМОП-тран  Rист  Rканал  Rст . Первое и третье
сопротивления приблизительно одинаковы, зависят от затворного напряжения, но составляют несколько десятков Ом и меняются на величину несколько Ом при изменении VG.
Сопротивление же Rканал в зависимости от VG может составлять как десятки Ом, так и
десятки МОм. Устанавливая соответствующее напряжение VG, можно задавать МОПтранзистор как обычный резистор с конкретным сопротивлением.
Диод, как известно, есть радиотехнический элемент, у которого прямое сопротивление близко к нулю, а обратное — очень велико. Подавая на затвор МОП-транзистора
такое VG, когда Rканал очень велико, данный транзистор при подключении электродов истока и стока в нагрузочную цепь будет выполнять функции диода с обратным включением. При VG, когда Rканал минимально, данный транзистор при подключении электродов
истока и стока в цепь будет выполнять функции диода с прямым включением.
Функцию конденсатора МОП-транзистор выполняет при использовании только затворного и стокового напряжений благодаря наличию подзатворного диэлектрика, который может рассматриваться и как изолятор конденсатора. Подавая на затвор определенное
напряжение, на обратной стороне подзатворного окисла возникает заряд, противоположный по знаку подаваемому напряжению. Обычно МОП-конденсатор работает при подаче
напряжения VG, при котором Rканал — минимально, точнее считается, что в этом случае
данный конденсатор заряжен. Когда Rканал очень велико — считается, что конденсатор
разряжен.
Микропроцессоры — это сложные конструктивно микросхемы, служащие для обработки логических (цифровых) сигналов, т.е. сигналов, называемых “0” и “1”. Микропроцессоры в основном состоят из огромного количества по-разному соединенных друг с
другом логических устройств — регистров, счетчиков, шифраторов, дешифраторов, сумматоров, делителей частоты, преобразователей кодов и ряда других. Каждое из этих
устройств в свою очередь состоит из некоторого количества более простых цифровых
устройств, называемых триггерами. Регистры, счетчики, шифраторы и другие составные
элементы микропроцессоров отличаются друг от друга количеством триггеров, их соединением между собой, а также наличием ряда еще более простых цифровых устройств, относимых к классу элементарных, а именно инверторов, в микропроцессорной логике получивших название “логические элементы НЕ”. Триггеры в свою очередь представляют
собой несколько специфических схем, состоящих из двух других элементарных цифровых
устройств или логических элементов, называемых “элемент ИЛИ-НЕ” (чаще всего) или
“элемент И-НЕ” (реже). Также в схеме триггера может присутствовать и инвертор. И,
наконец, каждый из этих трех элементарных цифровых устройств-логических элементов
состоит из одних только МОП-транзисторов. Эти МОП-транзисторы определенным образом подключены к каналам ввода и вывода цифровых сигналов “0” и “1” и настроены на
потребление некоторого рабочего напряжения VDD, характер изменения которого внутри
транзисторов и обуславливает передачу ими цифровых сигналов. Элемент НЕ образуют
два МОП-транзистора, а элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ — четыре. Таким образом, микропроцессор является очень сложной микросхемой, состоящей фактически только из одних
МОП-транзисторов. И чем сложнее микропроцессор, тем большее количество МОПтранзисторов он содержит.
Передавая цифровые сигналы “0” и “1”, МОП-транзисторы выполняют так называемую цифровую функцию. Эта функция определяется величиной напряжения, которое потребляет МОП-транзистор. Если он потребляет все рабочее напряжение VDD, т.е. на стоке
устанавливается и постоянно поддерживается данное напряжение, то обычно считается,
что транзистор содержит сигнал “1”, а если потребляет очень малое напряжение близкое к
нулю (т.е. на стоке почти 0), то считается, что транзистор содержит сигнал “0”. Характер
потребления напряжения VDD зависит от подачи определенных напряжений, эквивалентных “0” и “1”, на Входы схем логических элементов, в состав которых входят МОПтранзисторы. Эти Входы напрямую соединены с затворами МОП-транзисторов. И поэтому попадающие на затвор транзистора напряжения “0” или “1” в результате будут формировать в самом МОП-транзисторе определенный сигнал, также эквивалентный “0” или “1”
в зависимости от потребления в нем рабочего напряжения VDD. Другими словами, в микропроцессорах постоянно циркулируют сигналы “0” и “1”, и МОП-транзисторы, из которых состоят микропроцессоры, то же настроены на передачу только таких сигналов, т.е.
выполняют исключительно одну цифровую функцию — в зависимости от того, что у них
на затворах, на стоках будет наблюдаться напряжение либо VDD, либо 0.
Третья большая группа микросхем — микросхемы памяти — также состоят из
одних МОП-транзисторов. Только конструкция транзисторов несколько усложнена по
сравнению с рис. 1. Обычный МОП-транзистор выполняет свои функции только когда на
него подано затворное напряжение VG и напряжение питания VDD. МОП-транзисторы в
микросхемах памяти имеют встроенные в подзатворном окисле изолированные дополнительные маленькие затворы, которые во время записи информации получают какой-то заряд, который и хранит информацию, выполняя функцию затворного напряжения, когда
микросхема памяти не подключена к рабочим напряжениям VG и VDD. Изменять информацию в микросхемах памяти (т.е. на МОП-транзисторах) можно только в случае подключения их к этим рабочим напряжениям, называемым напряжениями записи.
Лекция 2.
Цифровые свойства МОП-транзисторов
Вопросы для рассмотрения:
1. Цифровая функция МОП-транзисторов
2. Логический элемент НЕ на МОП-транзисторах
3. Логические элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ на МОП-транзисторах
4. Комплементарный МОП-транзистор
§ 1–3. Цифровая функция МОП-транзисторов.
Логический элемент НЕ на МОП-транзисторах. Логические элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ на
МОП-транзисторах
Как отмечалось в предыдущем параграфе, входя в структуру логических элементов
НЕ, ИЛИ-НЕ и И-НЕ, МОП-транзистор выполняет цифровую функцию, т.е. в зависимости
от напряжения на своем входе, которым является затвор прибора, на своем выходе, которым является сток, должен выдавать либо максимальное рабочее напряжение (VDD), либо
минимальное напряжение, близкое к нулю. Потребление МОП-транзистором того или
иного напряжения в соответствии с законом Ома для участка цепи напрямую определяется величиной его сопротивлении RМОП-тран  Rист  Rканал  Rст . Сопротивления Rист и
Rст задаются конструктивно и фактически не меняются от напряжений, подаваемых на
затвор и сток транзистора. А вот сопротивление Rканал устанавливается с помощью
напряжения на затворе VG. Для n-канального МОП-транзистора положительное VG устаmin
навливает малое значение сопротивления Rканал
, тогда как отрицательное VG или нулевое
max
задает очень большое сопротивление Rканал
. Для p-канального МОП-транзистора наобоmax
рот — положительное VG вызывает большое Rканал
, а отрицательное VG или близкое к нуmin
лю — малое Rканал
.
Рис. 4 поясняет, как установление данного сопротивления способствует потреблению МОП-транзистором либо всего рабочего напряжения, либо очень незначительной части его, близкой к нулю. В цепи питания транзистора, представленной на рис. 4, значение
сопротивления
нагрузки
всегда
выбирается
из
следующего
условия
min
max
Rист  Rканал  Rст Rнагр Rист  Rканал  Rст . Ток, протекающий по цепи сопротивлений
Rнагр и RМОП , очевидно равен VDD
 Rнагр  RМОП  . Поэтому падения напряжения на со-
ответствующих сопротивлениях будут равны
Rнагр
Vнагр
RМОП
VМОП
VDD
Рис. 4. Падение рабочего напряжения на МОП-транзисторе
Vнагр  VDD
Rнагр
Rнагр  RМОП
, VМОП  VDD
RМОП-тран
Rнагр  RМОП
.
min
Очевидно, что при сопротивлении канала близком или совпадающем с Rканал
, будут справедливы соотношения Vнагр  VDD , VМОП  0 , а при сопротивлении канала близmax
ком к Rканал
, будут справедливы соотношения Vнагр  0 , VМОП  VDD .
Следовательно, если мы имеем n-канальный транзистор, включенный в цепь питания VDD согласно рис. 4, то, подавая на его затвор положительное VG, мы получим падение
напряжение на транзисторе, близкое к 0. Обычно в микропроцессорах подача такого положительного VG считается подачей цифрового сигнала “1”. Таким образом, для nканального МОП-транзистор подача на Вход (т.е. затвор) “1” приведет к появлению на
выходе (т.е. стоке) “0”. Отсутствие же сигнала на Входе (VG на затворе равно 0), что приравнивается подаче “0”, приводит к появлению на выходе “1” (на стоке установится
напряжение VDD). В случае p-канального МОП-транзистора будет наблюдаться противоположная ситуация. Подача “0” на Вход (т.е. отсутствие напряжения на затворе) приведет
min
к формированию сопротивления близкого к Rканал
, и значит на Выходе (стоке) будет
наблюдаться напряжение близкое к нулю, т.е. сигнал “0”. Подача же на Вход “1” приведет
к появлению “1” и на Выходе. Из вышесказанного, таким образом, вытекает, что nканальный МОП-транзистор инвертирует сигнал, а p-канальный МОП-транзистор повторяет сигнал. В этом и состоит цифровая функция МОП-транзисторов.
Для надежного выполнения данной функции к МОП-транзистору предъявляются
два главных требования: 1) при подаче определенного напряжения или его отсутствии на
входе (затворе) бесконечно долго поддерживать на выходе (стоке) соответствующее
напряжение, 2) при перемене состояния на входе переключаться в противоположное состояние на выходе за заданный промежуток времени. Первое требование очевидно предполагает, чтобы в процессе работы МОП-транзистор не изменял бы свои электрические
характеристики и, прежде всего, внутреннее сопротивление, второе требование — чтобы
электрофизические свойства МОП-транзистора, в частности, его конструктивно-технологи-ческие параметры (длина канала, толщина подзатворного окисла, концентрация и
профиль легирующих примесей, концентрация ловушек и т.п.), обеспечивали бы определенное время переключения прибора.
Рассмотрим подробнее схему логических элементов НЕ, ИЛИ-НЕ и И-НЕ и работу
МОП-транзисторов в них. Обычно в радиотехнических схемах МОП-транзисторы изображаются, как показано на рис. 5. На рис. 6, 7 и 8 показаны схемы и таблицы функций
рассматриваемых логических элементов. Элемент НЕ инвертирует сигнал, и очевидно, что
его ключевым структурным звеном, с которого снимается сигнал, является n-канальный
МОП-транзистор, который также инвертирует сигнал. Поясним работу двух других логических элементов. Каждый из них представляет собой устройство с двумя Входами и одним Выходом и состоит из четырех МОП-транзисторов.
p
p-канальный МОП-транзистор
n
n-канальный МОП-транзистор
Рис. 5. Представление МОП-транзисторов на схемах
VDD
В
0
1
В
1
0
ход
Вход
Выход
ыход
Рис. 6. Элемент НЕ и таблица его функций
VDD
В
0
1
0
1
В
0
0
1
1
В
1
0
0
0
ход 1
Вход 1
Выход
ход 2
Вход 2
ыход
Рис. 7. Элемент ИЛИ-НЕ и таблица его функций
VDD
В
0
1
0
1
В
0
0
1
1
В
1
1
1
0
ход 1
Вход 1
Выход
ход 2
Вход 2
ыход
Рис. 8. Элемент И-НЕ и таблица его функций
Рассмотрим работу элемента ИЛИ-НЕ (см. рис. 7). Первый случай — на Входы 1 и
2 подается 0. Напряжение VG, соответствующе 0, формирует Rканал в p-канальном МОПтранзисторе с минимальным значением (транзистор открыт, т.е. образован проводящий
канал), а в n-канальном — с максимальным (транзистор закрыт, канал не образовался).
Так как суммарное сопротивление на последовательной цепочке p-канальных транзисторов в итоге оказывается малым, то напряжение питания VDD на ней фактически не падает,
а падает оно на параллельной цепочке закрытых n-канальных транзисторов (по аналогии с
рис. 4). Следовательно, на выходе элемента ИЛИ-НЕ будет сниматься все это напряжение
VDD, т.е. будет наблюдаться логическая “1”. В случаях же, когда хоть на каком-нибудь
Входе будет “1” (т.е. положительное напряжение VG), то какой-то или оба (при “1” на
обоих Входах) n-канальных транзистора будут открыты и их сопротивление будет очень
маленьким. Так как на выходе схемы элемента ИЛИ-НЕ находится параллельная цепочка
этих транзисторов, то обнуление сопротивления любого из транзисторов немедленно приведет к обнулению сопротивления всей цепочки. Следовательно, на выходе падения
напряжения не будет и там станет наблюдаться логический “0”.
Работа элемента И-НЕ следующая. Только здесь в случае, когда хотя бы на какомнибудь Входе будет “0”, на Выходе окажется “1”. Это произойдет из-за того, что “0” подается на параллельную цепочку p-канальных транзисторов и формирует в ней сопротивление близкое к нулю, и в результате все VDD падает на последовательной цепочке nканальных транзисторов.
§ 4. Комплементарный МОП-транзистор
Базовые логические элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ состоят из 2-х n-канальных транзисторов и 2-х p-канальных транзисторов. Конструктивно проще один n-канальный транзистор соединить с одним p-канальным в единую неразрывную пару. Это позволяет заметно
уменьшить общее количество МОП-транзисторов в схемах более сложных цифровых
устройств — тех же триггеров — улучшая их надежность и повышая степень интеграции
элементов. Такая неразрывная пара получила название Комплементарные МОПтранзисторы (КМОП-транзистора).
Лекция 3.
Приборы с зарядовой связью и флеш-память
Вопросы для рассмотрения:
1. Энергетические диаграммы и применение ПЗС
2. Основы флеш-памяти
§ 1. Энергетические диаграммы ПЗС
В зависимости от напряжения на затворе ток стока может значительно меняться.
Его изменение связано с возникновением проводящего канала. В n-канальном транзисторе
VG положительно и потому по принципу работы конденсатора притягивает из кремния к
его поверхности отрицательно заряженные заряды, т.е. электроны. Если напряжение VD
не подавать (оно будет равно 0), то притянутые к поверхности так называемые инверсные
электроны будут как бы “сидеть” под затвором сосредоточившись в небольшой потенциальной яме. Глубина этой ямы в глубь подложки непосредственно определяется VG — чем
больше это напряжение, тем глубже и более полно заполнена электронами эта яма. Можно
убрать из конструкции МОП-транзистора электроды истока и стока и вместо них поместить другие затворы. В результате получится цепочка МОП-конденсаторов. Подавая на
них разные затворные напряжения можно создавать разные потенциальные ямы под подзатворным окислом и накапливать в них разный заряд.
В матрице МОП-конденсаторов заряды можно перемещать из ячейки в ячейку
с помощью трехтактового «двигателя». Поясним процесс переноса на примере регистра
сдвига (рис. 9). Пусть заряды собраны в первой ячейке. На все электроды подается одинаковый положительный потенциал VG. На втором этапе потенциал соседней (второй)
ячейки увеличен до 3 VG. Разницы потенциалов в 2 VG достаточно, чтобы «сдуть» все заряды во вторую ячейку, после чего потенциалы выравниваются. Процесс повторяется, заряд перемещают в третью ячейку и т. д.
Рис. 9. Принцип работы ПЗС-матрицы.
Чаще всего ПЗС-матрицы используются в качестве передачи световой информации,
например, какого-нибудь изображения, в том числе и телевизионного. Каждый МОПконденсатор является элементом изображения (1 пикселем). Яркость этого пикселя полностью задает размер потенциальной ямы в МОП-конденсаторе и накопленный заряд. Потом
этот заряд считывается, передаваясь в соседний МОП-конденсатор, который и является
считывающим. Таким образом, любая ПЗС-матрица состоит из удвоенного (чаще утроенного) набора МОП-конденсаторов. Один является рабочим, он воспринимает световую
информацию, а два других — считывающие эту информацию для постройки изображения.
Телевизионная передача разбита на 24 кадра в секунду и соответственно каждый МОПконденсатор 24 раза в секунду формирует свою потенциальную яму.
§ 2. Основы флеш-памяти
Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух МОП-транзисторах. В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого
транзистора со специальной электрически изолированной областью над проводящим каналом, называемой "плавающим" затвором (рис. 10). Информация в нем, т.е. некоторый
заряд, способна храниться много лет. Чаще всего, в схемах наличие заряда рассматривается как логический “0”, а отсутствие – как “1”. При записи заряд помещается на плавающий затвор из проводящего канала МОП-транзистора одним из двух способов в зависимости от типа ячейки (ее размеров): методом инжекции "горячих" электронов или методом
туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом туннелирования. Флэш-память в современных зарубежных образцах изготавливается на транзисторах с эффективной длиной канала 0,13 и
0,18 мкм.
Рис. 10. Схема МОП-транзистора как ячейки flash-памяти.
Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки
подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR-архитектурой, а также в
микросхемах EPROM. Поведение транзистора зависит от количества электронов на "плавающем" затворе. Помещение заряда на "плавающий" затвор происходит в результате
разогрева электронов в проводящем канале и инжекции наиболее разогретых носителей
через толщу окисла на плавающий затвор. Попасть туда могут электроны с энергией не
меньше 3.2 эВ и их называют CHE (channel hot electrons). Снятие заряда с плавающего затвора осуществляется посредством квантомеханического туннелирования по схеме Фаулера-Нордхейма. Ниже в таблице схематично показаны данные процессы.
При чтении информации подается положительное напряжение на управляющий затвор. В отсутствие заряда на "плавающем" затворе в кремнии образуется n-канал между истоком и стоком,
и возникает ток.
Наличие заряда на "плавающем" затворе модифицирует вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при подаче обычного
для чтения информации напряжения на управляющий затвор канал между истоком и стоком
не появляется. В результате ток стока в МОПтранзисторе практически не течет или точнее
близок к нулю.
Процедура программирования flash-памяти заключается в подаче на сток и управляющий затвор достаточно высокого напряжения. При этом
на управляющий затвор напряжение подаётся в
два раза выше, чем на сток. "Горячие" электроны
из канала инжектируются на плавающий затвор
и изменяют вольт-амперные характеристики
МОП-транзистора.
Когда нужно стереть заряд с плавающего затвора, одновременно на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, а на
исток высокое положительное. В результате в
окисле между плавающим затвором и истоком
произойдет существенное падение напряжение,
которое заметно уменьшит толщину этого окисла и при чем именно для тех электронов, что
находятся на плавающем затворе. До отсутствия
отрицательного напряжения толщина данного
окисла не допускала туннелирования, а сейчас
оно протекает по схеме Фаулера-Нордхейма.
Эффект туннелирования – это эффект, связанный с квантовомеханическими свойствами электрона (волновыми), и очень сильно зависит от толщины потенциального барьера. Небольшое изменение толщины приводит к существенному увеличению туннельного
тока. На рис. 11 показан механизм удаления заряда с плавающего затвора. Напряжения
подбираются таким образом, чтобы изменение dox1 обеспечивало мгновенное туннелирование электронов в исток.
Рис. 11. Стирание заряда из ячейки flash-памяти.
Лекция 4.
Изменение потенциала в МОП-транзисторе
Вопросы для рассмотрения:
1. Энергетическая диаграмма в направлении исток-подложка-сток
2. Энергетическая диаграмма в направлении затвор-подзатворный окисел-подложка
§ 1. Энергетическая диаграмма в направлении исток-подложка-сток
Данная диаграмма имеет следующий вид
уровень подложки
исток
n+
сток
n+
а)
сток
n+
б)
ΔLs
ΔLs
уровень подложки
исток
n+
уровень канала
ΔLc
ΔLc
канал n – металлургический
канал n – дрейфовый
исток
n+
в)
сток
n+
VD
ΔLист
ΔLст
Рис. 12. Приповерхностный потенциал  s :
а) отсутствует напряжение на стоке (VD = 0) и отсутствует
проводящий канал ( VG < VT );
б) отсутствует напряжение на стоке (VD = 0), но канал присутствует ( VG > VT );
в) напряжение на стоке равно рабочему (VD > 0).
Формально области истока, подложки p-типа и стока в совокупности являются типичным биполярным транзистором. Рис. 12а можно рассматривать как энергетическую
диаграмму такого транзистора. В отсутствие напряжения на стоке переходы истокподложка и сток-подложка симметричны и характеризуются некоторой высотой барьера
b . В отсутствие канала, т.е. VG < VT (обычно VG = 0), Величина b оказывается равной
k BT  n   k BT  N A 
ln   
ln 
 , где ni – собственная концентрация. Ширина Ls обеднен ni 
e
e
n
i


 
ной области, обусловленной наличием барьера b , равна
2b0si
. С появлением каeN A
нала, но при отсутствии напряжения на стоке ( VG > VT и VD = 0) заметно уменьшится высота барьера и размеры обедненной области в направлении исток-канал-сток (рис. 12б). Значения bG и Lc можно рассчитать с помощью следующих соотношений: bG =
k BT  n  
2bG 0 si
ln 
, где N e – концентрация электронов в канале.
 и Lc =

e
eN A
 Ne 
После подачи на сток некоторого напряжения VD отличного от нуля будет, вопервых, увеличиваться барьер на стоке на величину VD , а, во-вторых, увеличиваться и
размеры обедненной области перехода у стока (рис. 12в). Длину этой области теперь
можно рассчитать согласно Lст =
2bст0 si
, где величина bст удовлетворяет услоeN A
вию VD < bст < bG + VD . Величина Lc у истока изменится очень незначительно, а в
случае длинноканальных приборов вообще останется постоянной. Однако для удобства
определения будем ее обозначать при VD >0 как Lист .
Вообще следует различать металлургическую длину канала транзистора (между
резкими границами истока и стока) Lметаллург от его дрейфовой (где осуществляется
дрейф электронов от истока к стоку Lдрейф . Особенность электрического поля на участке
Lст заключается в экспоненциальном росте напряженности его продольной составляющей, тогда как на остальном участке дрейфовой части канала напряженность продольной
составляющей растет незначительно и изменяется по линейному закону.
§ 2. Энергетическая диаграмма в направлении затвор-подзатворный окисел-подложка
Данная диаграмма в первые моменты включения затворного напряжения имеет вид
уровень потенциала
в затворе при VG = 0
VSiO2
VG = VSiO2 + VSi
VSi
VG
SiO2
уровень потенциала
в затворе при рабочем VG
z
zdepl
После установления инверсионного слоя у поверхности раздела подзатворный окисел / кремний энергетическая диаграмма приобретет вид
уровень потенциала
в затворе при VG = 0
VSiO2
VG = VSiO2 + VSi
VSi
VG
SiO2
уровень потенциала
в затворе при рабочем VG
z
zdepl
Лекции 5.
Инверсионный канал в МОП-транзисторе
Вопросы для рассмотрения:
1. Режимы обеднения, обогащения и инверсии в МОП-транзисторе
2. Уравнение Пуассона и закон Гаусса для расчета потенциала инверсионного слоя в
кремнии
3. Ширина обедненного и инверсионного слоев у поверхности раздела Si/SiO2
Vox
SiO2
Ec
еφb
EF
еφs
Ev
EM
Рис. 13. Ход электрического потенциала у поверхности раздела Si/SiO2
в канале МОП-транзистора
К затвору прикладывается напряжение VG, которое падает частью на окисле (эта
часть равна Vox), а частью на кремнии (эта часть равна φs + φb ).
Согласно закону Гаусса для границы раздела двух сред Si/SiO2 можно записать
ox
e
VG  s  FB   N s  N depl
dox
0


где левая часть фактически и есть доля затворного напряжения, падающая на окисле, а
правая – на приповерхностной области кремния p-типа. В этом выражении VG – напряжение на затворе,  s – падение напряжения в кремнии (искривление зон), FB – потенциал плоских зон, который для n-канального МОП-транзистора всегда положителен и изменяется от 0,8 до 1,1 В, ox и dox – диэлектрическая постоянная окисла и его толщина, Ns и
N depl – поверхностные концентрации электронов и акцепторного заряда обедненной области. Величины этих концентраций с незначительной погрешностью можно рассчитать с
помощью известных соотношений
N s  N e  zinv
 e 
N e  niexp  s 
 k BT 
 2 s 0 si

N depl  N A 
 zinv 
eN A


где N e – объемная концентрация электронов у поверхности раздела окисел/кремний, ni –
собственная концентрация носителей заряда в кремнии при данной температуре (порядка
1019 м–3), NA – объемная концентрация акцепторной примеси, si – диэлектрическая постоянная кремния, zinv – толщина инверсионного слоя, которая практически для всех случаев равна приблизительно 10 нм. Таким образом, положительное затворное напряжение
вызовет определенное падение напряжения в кремнии под затвором, которое равно по величине искривлению энергетических зон у границы раздела Si/SiO2. В случае, когда  s
станет больше
k BT  N A 
ln 
 согласно первой формуле сформируется так называемый инe
 ni 
версионный канал толщиной zinv с поверхностной концентрацией электронов Ns, удовлетворяющей соотношениям второй и третьей формул. Величина тока от истока к стоку
определяется только значением N e , величина же N depl является паразитной и ненужной
— ее формирование ухудшает характеристики транзистора и является фактически причиной существования порогового напряжения. Пока не сформируется определенное значение N depl — инверсные электроны не возникают.
Таким образом, положительное затворное напряжение вызовет определенное падение напряжения в кремнии под затвором, которое равно по величине искривлению энергетических зон у границы раздела Si/SiO2. В случае, когда  s станет больше
k BT  N A 
ln 
 согласно первой формуле сформируется так называемый инверсионный каe
n
 i 
нал толщиной zinv с поверхностной концентрацией электронов Ns, удовлетворяющей соотношениям второй и третьей формул. Величина тока от истока к стоку определяется
только значением N e , величина же N depl является паразитной и ненужной — ее формирование ухудшает характеристики транзистора и является фактически причиной существования порогового напряжения. Пока не сформируется определенное значение N depl –
инверсные электроны не возникают.
Выражения для концентраций можно подставить в формулу закона Гаусса и получить трансцендентное соотношение относительно  s . Решая его численно, можно получить зависимость значения  s от величин VG , FB и dox , а зная  s — несложно с помо-
щью выражения третьего выражения для концентрации получить значение N e в инверсионном слое кремния, т.е. проводящем канале транзистора.
Если в случае, когда N e достаточно велико (т.е. не намного меньше по величине
N depl – а в рабочем режиме даже и бóльше), электроды истока и стока вновь подключить
в какую-то цепь с питанием, то на данном транзисторе вследствие образования инверсионного слоя с электронами будет падать относительно небольшое напряжение, связанное
только с сопротивлением канала, а также сопротивлениями исток-канал и сток-канал. Если в этой цепи помимо транзистора будут сопротивления, бóльше по величине указанных,
то данный транзистор можно рассматривать, как передающий логический “0”. Однако
очень важно обеспечивать постоянным рабочее значение  s (когда N e бóльше либо сравнимо с N depl ) во все время включения VG , так как даже небольшое изменение  s непременно вызовет существенные изменения Ns и N depl и приведет к изменению сопротивлений канала и переходов исток-канал и канал-сток, что может исказить передачу сигнала
логического “0”. Обычно непостоянство  s со временем при постоянном VG называют
сдвигом порогового напряжения.
Глубина области обеднения zdepl определяется величиной падающего в ней напряжения VSi и уровнем легирования подложки акцепторной примесью N A согласно соотношению zdepl  20SiVSi .
eN A
Лекция 6.
Свойства подзатворного окисла
Вопросы для рассмотрения:
1. Емкость подзатворного окисла
2. Время образования инверсионного слоя и время переключения транзистора
3. Заряды в окисле и на поверхности раздела Si/SiO2
§ 1. Емкость подзатворного окисла
Величина емкости подзатворного окисла МОП-транзистора совпадает с емкостью
S
плоского конденсатора и может быть рассчитана с помощью формулы C  ox 0
, где
dox
ox – диэлектрическая проницаемость оксида кремния,  0 – диэлектрическая постоянная,
S – ширина поверхности подзатворного окисла и dox – толщина подзатворного окисла.
При этом, как известно, положительное напряжение на одной из обкладок конденсатора
вызовет формирование на этой же обкладке положительного заряда, а на противоположной — отрицательного.
§ 2. Время образования инверсионного слоя и время переключения транзистора
Время переключения МОП-транзистора — это время, в течение которого он переключается из состояния “0” в состояние “1” или наоборот. Это время определяет быстродействие всех цифровых устройств, в состав которых входят МОП-транзисторы, в том
числе и самого микропроцессора. Поэтому, чем меньше время переключения МОП-
транзистора, тем быстрее работает микропроцессор, т.е. выше его тактовая частота. Тактовая частота микропроцессора — это и есть фактически величина, обратная времени переключения.
Строго говоря, в МОП-транзисторе времена переключения из состояния “0” в состояние “1” и из состояния “1” в состояние “0” не равны друг другу, хотя и сравнимы по
своей величине. Рис. 14 и 15, на которых отражены переходные процессы, наблюдаемые в
МОП-транзисторе при его переключении, поясняют, какие явления длительностью своего
протекания и составляют эти времена. Прежде чем их проанализировать, напомним, что
состояние “0” характеризуется очень маленьким, близким к нулю напряжением на стоке,
которое можно обозначить как VDост, и относительно большим значением тока, протекающего между истоком и стоком, которое можно определить как IDраб. Состояние “1”, соответственно, характеризуется рабочим напряжением VDD, устанавливаемом на стоке, и отсутствием заметного тока между истоком и стоком, т.е. I D  0 .
ID , VD
ID , VD
VD
VDD
VDD
IDраб
ID
IDраб
VD
VDост
t1
t2
t
ID
VDост
t4
t
t5 t6
t3
Рис. 14. Переходные процессы
при переходе из состояния “1” в
состояние “0”
Рис. 15. Переходные процессы при переходе из состояния “0” в состояние
“1”
Рассмотрим данные переходы на примере n-канального МОП-транзистора. При
этом следует отметить, что их природа для p-канального совершенно идентична. Как известно, в n-канальном приборе включение “0” достигается подачей на затвор положительного напряжения VG (обычно близкого по величине к VDD), а включение “1” достигается
подачей на затвор нулевого напряжения, т.е. выключением положительного VG. Следовательно, на рис. 14 отсчет времени начинается с момента подачи на затвор напряжения VG,
а на рис. 15 — с момента его выключения.
Время перехода из “1” в “0” фактически образуют три времени t1, t2 и t3, отмеченные на рис. 14. С каждым из этих времен связан свой физический процесс, протекающий в
МОП-транзисторе. t1 есть время, за которое искривятся зоны в подзатворном окисле и
кремнии у поверхности раздела. t2 есть время, за которое электроны из истока по искривленному у поверхности участку попадают в сток. t3 есть время, за которое попадающие в
сток электроны приведет к уменьшению падения напряжения в стоке VD, приведя его к
очень маленькому значению. После того, как установится это маленькое значение VD,
МОП-транзистор переходит в состояние “0”.
Переход в состояние “1” однотипен. Он заканчивается при уменьшении стокового
напряжения до 0, после того как разорвется канал между истоком и стоком в результате
выключения положительного затворного напряжения. Как следствие, на стоке вновь установится высокое значение VDD.
Время переключения МОП-транзистора необходимо отличать от времени образования инверсионного канала. Инверсионный канал образуют инверсные электроны. Этим
электронам при наличии p-подложки неоткуда взяться — только благодаря тепловой ге-
нерации. Темп этой тепловой генерации очень небольшой. Чтобы сформировался инверсионный слой с концентрацией электронов, соответствующей приложенному затворному
напряжению, необходимо время порядка несколько миллисекунд. Время переключения же
составляет пару десятков наносекунд — оно намного меньше времени обраования инверсионного канала.
§ 3. Заряды в окисле и на поверхности раздела Si/SiO2
Все заряды в окисле делятся на две группы — подвижные и неподвижные. Первые
— это проникшие в подзатворный окисел электроны. Очевидно, что они наводят в нем
отрицательный заряд. Также в подзатворном окисле очень много паразитных положительных зарядов, возникающих в нем в технологическом процессе формирования этого
окисла. Подзатворный окисел образуется при помещении кремниевой пластины в печь
при разогреве ее до очень высоких температур (более 10000 С). Присутствующие в печи
подвижные примесные атомы внедряются в формируемый на поверхности кремниевой
пластины окисел и остаются в нем.
Лекции 7.
ВАХ МОП-транзистора
Вопросы для рассмотрения:
1. Уравнение ВАХ для линейного участка
2. Уравнение ВАХ для нелинейного участка
3. Отсечка канала
§ 1. Уравнение ВАХ для линейного участка
Выходная ВАХ МОП-транзистора имеет вид
ID
VG3 > VG2 > VG1
VG3
VG2
VG1
Рис. 16. Типичная выходная ВАХ МОП-транзистора
Рост тока стока при постоянном затворном напряжении с изменением напряжения
на стоке явно демонстрирует три участка — линейный начальный, переход к пологому
участку и пологий насыщенный участок. Появление трех этих участков связано с рядом
физических процессов, протекающих в канале МОП-транзистороа между истоком и стоком. Их можно разделить на два типа — 1) связанные с поведением потенциала в канале и
2) связанные с дрейфом электронов в канале.
Линейный участок ВАХ обусловлен существованием линейного изменения потенциала в канале МОП-транзистора. На рис. 17 показан ход потенциала в канале.
канал n – металлургический
канал n – дрейфовый
исток
n+
сток
n+
VD
ΔLист
Рис. 17. Ход потенциала в канале
Величина напряжения VD еще невелика, и потенциал от истока к стоку изменяется
линейно. При этом напряженность тянущего поля также относительно невелика и не приводит к сколько заметному разогреву электронов. Они движутся от истока к стоку приблизительно с одной дрейфовой скоростью и характеризуются постоянным значением подвижности . В этом случае ток стока можно представить как изменение заряда инверсных электронов в канале МОП-транзистора за время их движения от истока к стоку согласно известной формуле
Qn
.
ID  
tперенос
Но очевидно, что tперенос связана с дрейфовой скоростью, с которой пролетают
путь от истока к стоку электроны, согласно tперенос 
Lканал
. Подвижность, дрейфовая
vдр
скорость и напряженность электрического поля связаны друг с другом известным соотношением vдр  ε x . Но так как потенциал в канале изменяется линейно, то ε x постоянна
и равна
εx 
VD
. Если подставим все эти соотношения в выражение времени переноса,
Lканал
получим
Lканал
.
VD
Величина инверсного заряда может быть найдена согласно
Qn   NsWканал Lканал  C0 VG  VT Wканал Lканал
tперенос 
Подставив значения tперенос и Qn в выражение для тока стока, окончательно получим
Wканал
C0 VG  VT VD .
Lканал
Это и есть выражение для тока стока в МОП-транзисторе, работающем в линейном
режиме.
ID  
§ 2. Уравнение ВАХ для нелинейного участка
Нелинейный участок ВАХ или, точнее, участок перехода к пологому насыщенному
участку связан с появлением нелинейного распределения потенциала в канале МОПтранзистора. С какой-то величины VD ход потенциала, как показано на рис. 18, становится
нелинейным.
канал n – металлургический
канал n – дрейфовый
исток
Рис. 18. Ход потенциала в нелинейном случае
Неоднородное изменение потенциала в канале связано с непостоянством сопротивления в разных участках канала. Поэтому дифференциальное изменение потенциала dV
на таком же дифференциально малом участке канала dx имеющем дифференциальное изменение сопротивления dR можно записать как
dV  I D dR ,
dx
где dR 
. Здесь имеем уже зависимость концентрации электронов от коорN s  x Wканал
динаты
N s  x  , так как электрический потенциал вдоль канала непостоянен —
Ns  x   C0 VG  VT  V  . Подставив данные значения в выражение для дифференциала
напряжения, получим обычное дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными
WканалC0 VG  VT  V  dV  I Ddx .
Данное уравнение решается путем интегрирования каждой части по длине канала,
при этом в качестве пределов интегрирования напряжения вдоль канала берется от 0 до
некоторого VD, характеризующего переход ВАХ в пологий насыщенный участок, которое
обозначается VDS:
VDS
Lканал
 WканалC0 VG  VT  V  dV  
0
WканалC0
I D dx ,
0
VDS
Lканал
0
0
 VG  VT  V  dV  I D 
dx ,
VDS
 VDS


WканалC0  VG  VT  dV   VdV   I D Lканал ,


0
 0

2 
Wканал 
VDS
I D  C0
 VG  VT VDS 
.
Lканал 
2 
Последнее выражение и есть выражение тока стока в МОП-транзисторе, работающем в режиме, когда на ВАХ формируется второй участок — переход от линейного к пологому насыщенному.
§ 3. Отсечка канала
Пологий насыщенный участок ВАХ характеризуется очень сильной неоднородностью как распределения потенциала в канале, так и электронного дрейфа в нем. Все Кине-
тические процессы сопровождаются сильным изменением параметров, характеризующих
перенос электронов в канале МОП-транзистора. От истока к стоку стремительно изменяются и энергия электронов, и их дрейфовая скорость, и подвижность. Вывести аналитическое соотношение, позволяющие точно или даже приближенно рассчитать значение величины тока стока, не представляется возможным. Данная величина может быть оценена
только с помощью численного моделирования.
Лекции 8.
Кинетика электронов в канале МОП-транзистора
Вопросы для рассмотрения:
1. Параметры, характеризующие электронный перенос: кинетическая энергия, дрейфовая скорость, подвижность, длина свободного пробега
2. Время свободного пробега электронов
3. Основные механизмы рассеяния электронов в канале МОП-транзистора
4. Ударная ионизация носителей в канале
§ 1. Параметры, характеризующие электронный перенос: кинетическая энергия, дрейфовая скорость, подвижность, длина свободного пробега
Кинетическая энергия — это энергия, которую приобретет электрон, двигаясь от
истока к стоку. Она связана с величиной его дрейфовой скорости как
E
2
mvдр
.
2
Дрейфовая скорость связана с приобретением энергии электроном, движущемся в
тянущем поле стока. Электрон в канале МОП-транзистора движется в объеме кремния, и
потому испытывает постоянные соударения с помехами. Этими помехами могут быть колебания атомов (фононы), кулоновский заряд примесей (ионы примеси) или другие электроны. Электрон движется от соударения к соударению ускоренно под действием поля.
Под ускорением электрон между соударениями за время свободного пробега  какое-то
k
eε
расстояние. Это расстояние равно x  x   x 2 . Соответственно, дрейфовая скоm
2m
x
рость, приобретаемая электроном при своем свободном пробеге, будет равна vдр   .

Подвижность электронов по определению есть коэффициент пропорциональности
между дрейфовой скоростью vдр и напряженностью тянущего поля

vдр
εx
§ 2. Время свободного пробега электронов
εx .
Следовательно
Электрон движется от истока к стоку под действием электрического поля и его
свободное движение прерывается актами рассеяния. Время свободного пробега моделируется с помощью соотношения
t   1 ln  r  ,
где параметр Г определяется как
Wср  E   W  E     const ,
где W  E  — суммарная интенсивность всех механизмов рассеяния для конкретно энергии
электронов; Wср  E  — интенсивность саморассеяния — искусственно подбираемая величина, чтобы обеспечить   const для данной энергии во всех возможных при свободном
пробеге электрона ячейках..
Разыгрывая время свободного пробега, можно моделировать движение электрона,
так как в течение времени τ он движется только в поле внешних сил – при рассмотрении
кремниевых транзисторных структур таковым будет электрическое поле, характеризуемое
двумя напряженностями εx и εz. В этом случае его движение будет равноускоренным, если
направление его движения совпадает с направлением данных напряженностей (условно
для транзисторных структур считаем, что электрическое поле направлено в сторону увеличения значения электрических потенциалов, т.е. от “–” к “+”), и равнозамедленным, если не совпадает.
§ 3. Основные механизмы рассеяния электронов в канале МОП-транзистора
3.1 Рассеяние на акустических фононах
Интенсивность этого вида рассеяния может быть рассчитана по формуле
Wac 
2
Dac
m *3 k B T
 4 ul2 
E 1  E  1  2E 
,
где Dac – деформационный потенциал при рассеянии на акустических фононах; m * – эффективная масса 3D-электронов; u l – продольная скорость звука в кремнии; ρ – плотность
кремния; α – коэффициент непараболичности.
3.2 Междолинное рассеяние
Рассеяние электрона по данному механизму наряду с ударной ионизацией является
сильно неупругим процессом. Особенность междолинного рассеяния электронов определяется их переходами в высшие долины. Интенсивность междолинного рассеяния носителей заряда можно рассчитать согласно:
Wij 
Dij2 m *3 Zij  Nij


 E  ij  Eij 1  2 E  ij  Eij
3
2 ij  Nij  1


 ,
где Dij – деформационный потенциал для перехода носителя из долины i в долину j; Zij –
число конечных долин при таком переходе; ωij и Nij – частота и число фононов, приводящих к переходу; ΔЕij – энергетический зазор между минимумами энергии рассматриваемых долин; верхний знак соответствует процессу поглощения фонона, нижний – процессу его испускания. Для кремния необходимо различать переходы между одноосными до-
линами (Zij =1, ΔЕij =0), между неодноосными долинами, расположенными в зоне Х
(Zij =4, ΔЕij =0), а также переходы в высшие долины зоны L (Zij =4, ΔЕij =1 эВ) и из высших
в низшие (Zij =6, ΔЕij =–1 эВ). При этом каждому типу фононов соответствуют свои определенные значения параметров Dij, ωij и Nij. Если носитель заряда обладает достаточной
энергией чтобы испустить фонон, то, как правило, процесс с испусканием в среднем происходит почти на порядок чаще процесса с поглощением при комнатных температурах.
3.3 Рассеяние на ионах примеси
Адекватное рассмотрение рассеяния на ионах примеси непосредственно связано с
правильным модельным описанием потенциала, экранирующего кулоновский потенциал.
Чаще всего в кинетических моделях переноса используются два приближения: Брукса –
Херринга и Конуэлл – Вайскопфа. Для различных областей канала t интенсивности рассеяния в первом и во втором случаях можно представить в следующем виде:
WI  
 t
Eα 1  2E 
N At 2 e4
 0si 2 4
WI  
 t
m* Bt2
N At Bt2 
2eE
m*
E 
1 4  
 Bt 
,
1  2E 
.
1  E 3/ 2
Здесь N tA – значение концентрации акцепторной примеси в рассматриваемой области канала; E  eE 1  E  ; LtD 
t
 si 0 Eav
N et e2
– длина экранирования Дебая для электронов,
рассчитанная в ячейке канала t с характерными значениями электронной концентрации N et

2
 0 , 75
t
t
t
и средней энергии электронов Eav ; B 
; Eb 
2
 N t
2 LtD m*
A

 
1
3

 .


Необходимо заметить, что корректность применения того или другого из приведенных выше приближений зависит от конкретных условий моделирования. Так, в частности, использование модели Брукса – Херринга будет справедливо лишь в случае достаточно сильной экранировки.
§ 4. Ударная ионизация носителей в канале
Данный процесс имеет место лишь тогда, когда электрон приобретает энергию, достаточную для образования электронно-дырочной пары. Расчет значения интенсивности
ударной ионизации в моделях Монте-Карло чаще всего проводят по известной формуле
Келдыша:
2
 E  Eth 
WII  CW ph  Eth  
 ,
 Eth 
где Eth – пороговая энергия ударной ионизации; W ph  Eth  – суммарная интенсивность рассеяния на фононах для электронов с энергией, равной пороговой; C – подгоночный параметр.
Хорошо известны два приближения данной модели – “мягкого” и “жесткого” порогов. Для первого: Eth = 1,2 эВ, C = 0,38, W ph  Eth  ≈ 8,6·1013 с–1; для второго: Eth = 1,8 эВ,
C = 100, W ph  Eth  ≈ 13,9·1013 с–1. При этом, однако, надо иметь в виду, что в настоящее
время установлены и используются и другие зависимости для величины
W II ,
так как
ударная ионизация наиболее дискутируемая проблема в физике полупроводников, находящихся в сильных электрических полях. Выделяются еще две модели. По первой расчет
W II осуществляется при высоком уровне умножения носителей согласно:
1
 E  Eth
WII  C1 
 E1
th

2
2

 E  Eth
  C2 

 E2
th


2
3

 E  Eth
  C3 

 E3
th






2
,
где Eth1 = 1,2 эВ; C1 = 6,25·1010 с–1; Eth2 = 1,8 эВ; C1 = 3,0·1012 с–1; Eth3 = 3,45 эВ; C3 =
6,8·1014 с–1.
По второй выражение интенсивности ударной ионизации учитывает особенности
зонной структуры кремния в виде
 E  Eth
WII  C 
 E
th





3,683
,
где Eth = 0,8 эВ; C = 3,622·1011 с–1.
Лекция 9.
Квантоворазмерные эффекты в МОП-транзисторе
Вопросы для рассмотрения:
1. Квантование энергии электронов в канале
2. Параметры квантоворазмерных электронов в канале МОП-транзистора
§ 1. Квантование энергии электронов в канале
Формирование инверсионного слоя в кремниевой МОП-структуре имеет место у
границы раздела Si/SiO2, когда к затвору приложено определенное напряжение. В этом
случае в результате изгиба энергетических зон у поверхности (рис. 19) подавляющее
большинство инверсных электронов сосредоточено в узком приповерхностном слое, толщина которого сравнима с де-бройлевской длиной волны носителей заряда. Так как движение электронов в одном из трех направлений ограничено и, как правило реализуется
многоподзонный перенос носителей заряда, такой электронный газ является квазидвумерным (Q2D). Если инверсионный слой расположен в плоскости, перпендикулярной оси Z,
то энергия электрона в Q2D-газе может быть записана в виде
E  Ei 
 2 k x2
2 m *x

 2 k y2
2 m *y
,
где Ei – уровни размерного квантования, с каждым из которых связана энергетическая
подзона; k x, k y – проекции волнового вектора электрона на направления осей X и Y, соответственно; m*x, m*y – значения эффективной массы носителя в этих направлениях.
Для определения уровней Ei необходимо самосогласованно решить уравнения
Шредингера и Пуассона, которые в рассматриваемом случае можно записать в следующем виде:

 2 d 2  i z 
2m*z
0
dz 2
d 2 z 
dz
2
 ez  i z   Ei  i z  ,
 eN s  N i  i z    depl ,
2
i
depl  eN A Z depl ,
 
0  Z depl   0 ,
0   Z depl  0 ,
где   z  – изменение потенциала в инверсионном слое кремния; i  z  – волновые функции
электронов; NA – концентрация акцепторной примеси, полагаемая постоянной; Ni – значения поверхностной концентрации электронов в i-й подзоне; N s – поверхностная концентрация электронов, значение которой можно определить исходя из конструктивнотехнологических параметров реальной МОП-структуры с помощью следующего соотношения:
 
N s  0 ox VG  VT  ,
ed ox
где VT – пороговое напряжение для данной МОП-структуры. При толщине подзатворного
окисла, равной, например, d ox = 10 нм, имеем N s ≈ 2·1016× VG  VT  м– 2 .
E
Ec
SiO2
Z, нм
Zinv
Zdepl
Рис. 19. Изгиб зоны проводимости на границе Si/SiO2
Полагая, что электроны распределены по энергиям согласно статистике Ферми –
Дирака, и учитывая двукратное спиновое вырождение, можно рассчитать значение Ni по
формуле
g m k T 
 E  Ei  
Ni  v di B ln 1  exp  F
 ,
Ns  2
 kB T  

где g v – кратность долинного вырождения; m di – эффективная масса плотности состояний
в i-й подзоне; E F – энергия Ферми.
Обычно технологически получают МОП-структуру, в которой поверхность раздела p-Si/SiO2 параллельна кристаллографической плоскости (100), а продольное (тянущее)
электрическое поле приложено в направлении [110]. Как известно, нижнюю зону проводимости в кремнии (Х-зону) можно представить в виде шести эллипсоидов постоянной
энергии, расположенных на осях симметрии [100], [010] и [001]. В этом случае соответствующая двумерная система имеет один двукратно вырожденный эквиэнергетический
контур в виде окружности и четыре эквиэнергетических контура в виде эллипсов. Эллипсоиды и контуры постоянной энергии показаны на рис. 20. Подзоны, соответствующие
круговым контурам и характеризующиеся бόльшим значением mz, равным 0,916 m0, принято обозначать индексами 0, 1, 2 и т. д., а сами подзоны называть нижними. В свою очередь, подзоны, соответствующие эллиптическим контурам и характеризующиеся меньшим значением mz, равным 0,19 m0, принято обозначать индексами 0 , 1 , 2 и т. д., а
сами подзоны называть верхними. Эффективные массы плотности состояний в нижних и
верхних подзонах различны. Это оказывает существенное влияние на заселенность подзон, а следовательно, и на интенсивности межподзонных переходов.
(100)
Рис. 20. Эллипсоиды и контуры постоянной энергии в канале МОП-транзистора
§ 2. Параметры квантоворазмерных электронов в канале МОП-транзистора
Наибольший практический интерес представляет изучение электрофизических
свойств инверсионных слоев кремниевых МОП-структур в случае приложения к ним достаточно сильных продольных электрических полей. Ниже приведены некоторые результаты исследования поведения ряда параметров, характеризующих электронный дрейф в
таких структурах.
На рисунке 21 дана зависимость дрейфовой скорости электронов vдр от напряженности продольного электрического поля F при температуре T = 300 K (кривая 1), полученные в результате численного моделирования методом Монте-Карло. Для сравнения
на этом же рисунке представлены результаты эксперимента (точки). Результаты расчета
зависимости подвижности электронов μ от величины их поверхностной концентрации Ns
показаны на 22. На том же рисунке приведены результаты эксперимента. Нетрудно видеть, что с ростом поля дрейфовая скорость имеет тенденцию к насыщению. Это можно
объяснить, прежде всего, значительным ростом числа актов межподзонного рассеяния на
оптических фононах, который приводит к уменьшению энергии носителей заряда.
vдр , м/с
105
104
103
F , В/м
105
106
107
Рис. 21. Зависимость дрейфовой скорости электронов vдр от напряженности
продольного поля F при Ns = 6,6∙1016 м–2 и Т = 300 К
μ , м2/(В·с)
0,28
1
2
0,24
0,20
0,16
Ns , 1016 м–2
Рис. 22. Зависимость1 подвижности 5электронов μ от10величины их поверхностной
концентрации Ns при Т = 300 К: 1 – результаты моделирования; 2 – эксперимент
Лекция 10.
Короткоканальные эффекты и эффекты горячих электронов
Вопросы для рассмотрения:
1. Короткоканальные эффекты
2. Эффекты горячих электронов
§ 1. Короткоканальные эффекты
На рис. 23 приведена энергетическая диаграмма, поясняющая действие двух ключевых короткоканальных эффекта.
сток
n+
исток
n+
а)
канал n – металлургический
канал n – дрейфовый
исток
n+
б)
сток
n+
VD
ΔLист
ΔLст
для короткого канала
для длинного канала
DIBL
в)
исток
n+
сток
а) отсутствует напряжение на стоке (VD = 0),
но канал присутствует ( VG > VT );
б) напряжение на стоке равно рабочему (VD > 0);
в) распределение потенциала в длинноканальном
и короткоканальном МОП-транзисторах;
Рис. 23. Ход приповерхностного потенциала  s
Их проявление заключается в следующем. Первый связан со смыканием областей
Lист и Lст , причем это смыкание возможно даже в отсутствие VD , т.е. при
Lch <2 Lист . Этот эффект приводит к тому, что даже при VG = 0 может возникнуть канал и
потечь относительно большой ток электронов от истока к стоку, в результате чего транзистор не переключится из “0” в “1” или такое переключение произойдет с недопустимой
задержкой. Второй связан с так называемым DIBL — уменьшением барьера у истока, вызванным стоковым напряжением. С уменьшением длины канала транзистора поле стока,
падающее на дрейфовой части канала, причем значительно в бóльшей мере на участке
Lст , начинает заходить своими силовыми линиями на участок Lист . Поле стока начинает расширять обедненную область истока, увеличивая значение Lист . Однако это расширение требует дополнительной затраты напряжения, связанного с появлением в этой
расширяемой области истока дополнительного обедненного заряда акцепторов (т.е. части
N depl ). И вот эти дополнительные затраты и происходят за счет отбора возникающим новым зарядом (“обедненных акцепторов” в N depl ) части встроенного напряжения у перехода исток-канал, что и вызывает уменьшения высоты барьера у истока, как показано на
рисунке 23. При этом, как несложно убедиться из диаграммы на этом рисунке, напряжение VD как с учетом DIBL, так и без его учета целиком падает на дрейфовой части канала.
Действие эффекта DIBL аналогично первому из описанных короткоканальных эффектов
— он препятствует переключению транзистора из “0” в “1”, однако сверх этого, DIBL сопровождается значительным увеличением тока стока, что может привести к пробою транзистора и выходу его из строя вообще. И если первый из короткоканальных эффектов
можно подавить заметным увеличением N A , то DIBL принципиально неустраним и требует более совершенных конструктивных приемов подавления.
Третий из короткоканальных эффектов также обусловлен наличием областей
Lист и Lст и связан с уменьшением вследствие этого значения N depl . Очевидно, что
уменьшение N depl при сохранении прежних значений VG и FB приведет к некоторому не
большому увеличению  s , но заметному увеличению N e и Ns. Однако точное значение
изменения N depl в короткоканальном МОП-транзисторе, вызванного этим эффектом,
можно определить лишь с помощью численного решения уравнения Пуассона. Известные
оценки величины изменения N depl справедливы лишь для транзисторов с длиной канала
не менее 0,5 мкм.
§ 2. Эффекты горячих электронов
Эффектов горячих электронов в короткоканальных МОП-транзисторах значительно бóльше, чем короткоканальных, но далеко не все они оказывают существенное влияние
на деградацию характеристик МОП-транзистора. Все эти эффекты обусловлены тем, что
напряженность продольной составляющей электрического поля в канале транзистора
VD
определяется величиной
, где Lдрейф — длина дрейфовой части канала. С уменьLдрейф
шением Lметаллург естественно уменьшается и Lдрейф , причем уменьшается и соотношение между ними, как показано на рис. 24. Например, согласно данным этого рисунка для Lметаллург = 0,1 мкм Lдрейф ≈ 0,035 мкм. Возникающее в канале поле столь велико,
что электроны при своем дрейфе от истока к стоку приобретают большую энергию.
Например, при Lметаллург = 0,2 мкм и VD = 2 В, средняя энергия электронов у стока превышает 1 эВ, т.е. практически каждый носитель заряда у стокового конца канала в состоянии осуществить акт ударной ионизации и породить пару вторичных носителей электрондырка.
Lдрейф / Lметаллург
0,5
0,5 Lметаллург , мкм
NA = 1024 м–3
Рис. 24. Соотношение между Lдрейф и Lметаллург
0,1
0,2
Следует особо выделить три эффекта горячих электронов, стремительно ухудшающих способность короткоканального стандартного МОП-транзистора передавать цифровую информацию. Первый и будет связан с лавинным умножением носителей в результате ударной ионизации, осуществляемой горячими электронами. Теоретическое объяснение закономерностей протекания данного процесса в короткоканальных МОПтранзисторах до конца не дано, однако бесспорно влияние этого эффекта на деградацию
ВАХ. На рис. 25 приведено схематическое изображение пробойной ВАХ короткоканального МОП-транзистора. Причиной стремительного роста тока стока при определенном
пробойном напряжении стока VD является совокупное и приблизительно равное действие
трех факторов — лавинного умножения носителей, DIBL и нахождение вторичных дырок
вблизи канала. Последний фактор является вторым из выделенных трех эффектов горячих электронов.
вторичные дырки
пробой
ID , отн. ед.
DIB
L
лавинное
умножение
насыщение тока
Рис. 25. Пробойная ВАХ короткоканального МОП-транзистора
Образуемые при ударной ионизации вторичные дырки оказывают серьезное влияние на характеристики МОП-транзистора. При малом коэффициенте умножения α не более 0,1 (т.е. на 10 инверсных электронов, формирующих ток стока, образуется не более 1
дырки, рожденной в процессе ударной ионизации) дырочным влиянием можно пренебречь. Однако при более высоких значениях α дырочный ток, собираемый подложкой, не
говоря уже о дырках, аккумулируемых переходом истока, создает вблизи канала (точнее
обедненной области, формирующей N depl ) дополнительное напряжение Vhol . Это
напряжение как бы забирает на себя часть N depl , в результате чего бóльшая часть VG
начинает тратиться на формирование инверсного заряда N e , и величина последнего заметно вырастает. Следовательно будет расти и ток. С увеличением концентрации вторичных дырок также будет увеличиваться и концентрация дополнительно инжектируемых из
истока в канал электронов и еще бóльше расти ток стока. Фактически физика проявления
этого эффекта аналогична физике проявления третьего из рассмотренных в предыдущем
параграфе короткоканальных эффектов.
Формально для описания этого процесса в левую часть формулы Гаусса для МОП
e
N s  N depl .
структуры нужно ввести величину Vhol : ox VG   s   FB  Vhol  
dox
0
Значение Vhol можно определить только с помощью численного моделирования, так как
оно зависит от двух величин — концентрации вторичных дырок Nhol imp и глубины об-


ласти, в которой в короткоканальном МОП-транзисторе и происходят акты ударной иониe
2
N hol  imp zimp
зации zimp : Vhol 
. Очевидно, что обе эти величины аналитически не
0 si
определяются.
Третий эффект горячих электронов, вызывающий существенную деградацию характеристик, обусловлен инжекцией последних в подзатворный окисел. Величина барьера
на границе Si/SiO2 изменяется от 3,2 эВ у истока до 2,5 эВ у стока. Горячие электроны,
находящиеся у конкретной точки границы Si/SiO2 и имеющие энергию выше величины
барьера в этой точке, могут проникнуть в окисел. В окисле вследствие падения части VG
всегда существует электрическое поле с высокой напряженностью, уводящее горячие
электроны на затвор, однако по причине наличия в окисле ловушек, способных захватить
электроны, часть их остается на ловушках и таким образом приводит к зарядке окисла отрицательным напряжением. Это напряжение заметно уменьшает величину FB , а значит и
увеличивает пороговое напряжение.
Теоретически изменение порогового напряжения VT при инжекции горячих электронов в окисел можно описать с помощью следующих соотношений:
VT 
Qзар
C0
,
ox
–
d ox
– плотность тока зарядки окис-
где Qзар – захваченный ловушками окисла суммарный заряд электронов; C0 
удельная емкость окисла; Qзар  J ток зар ox t ; J ток зар ox
ла; t – время зарядки окисла, т.е. время, в течение которого горячие электроны инжектируются в окисел (например, просто время работы МОП-транзистора под напряжением
VD ).
Плотность тока J ток зар ox прямо пропорциональна плотности тока инжекции
J ток инж ox горячих электронов в окисел: J ток зар ox  Nk J ток инж ox . Коэффициент пропор-
циональности N k зависит от конструкции и технологии получения окисла и изменяется в
пределах от 10–5 до 10–7. Точное его значение можно определить только для конкретного
прибора и только в результате проведения тестовых испытаний. Таким образом, величина
VT зависит от величины J ток инж ox , которую можно установить тоже, как и многие
остальные параметры горячих электронов, с помощью только численного моделирования.
Таким образом, как можно видеть, все эффекты горячих электронов обусловлены
разогревом электронов электрическим полем стока высокой напряженности. Подавление
этих эффектов требует непременного снижения этой напряженности в канале транзистора.
Приемы увеличения длины канала и уменьшения напряжения стока, очевидно, неприемлемы. Первое при миниатюризации обязано уменьшаться, второе меньше величины порогового напряжения подавления воздействия шумов (около 1 В) опускаться не должно.
Следовательно нужен поиск конструктивных приемов создания активных областей транзистора, для которых при малой длине канала и постоянном напряжении стока не наблюдался бы значительный рост напряженности электрического поля.
Лекция 11.
МОП-транзисторы с тонкими подзатворными окислами и длиной канала
0,1 мкм и менее
Вопросы для рассмотрения:
1. МОП-транзисторы с ультра тонкими подзатворными окислами
2. МОП-транзисторы с S4D –областями истока и стока.
3. КНИ-МОП-транзисторы
4. SiGe–МОП-транзисторы
§ 1. МОП-транзисторы с ультра тонкими подзатворными окислами
Тонкий подзатворный окисел позволяет улучшить управление над током стока затворного напряжения за счет снижения доли этого напряжения, расходуемого на формирование зарядов обедненных областей истока и стока. Это позволит стабилизировать
дрейф порогового напряжения и сохранение транзистором своих переключающих свойств
(с “1” на “0” и обратно). Однако с уменьшением толщины окисла заметно возрастают токи
утечки, вызванные процессами туннелирования электронов через его толщину непосредственно из канала на затвор. На рис. 26 приведены зависимости плотности тока утечки че-
рез подзатворный окисел. С учетом того, что I ут  J ут LchWch , для стабильной работы
МОП-транзистора предельной толщиной окисла принято значение dox = 2,4 нм.
jутечки, А /
м2
105
100
10–5
dox = 1,7 нм
dox = 2,4 нм
dox = 3 нм
10–
VG , В
10
0,5
1,0 1,5
2,0
Рис. 26. Плотность тока утечки через подзатворный оксид кремния
Тщательные экспериментальные исследования показали, что для транзисторов с
параметрами Lch = 0,07 мкм (70 нм), dj = 0,02 мкм (20 нм) и NA = 1024 м–3 для сохранения
требуемого управления электрическим током необходимо создавать окисел (SiO2) толщиной не более 1,5 нм, который согласно рисунку 26 имеет недопустимо высокий ток утечки. Преодолеть данное затруднение можно путем использования других диэлектриков
вместо SiO2, которые имеют заметно более высокое значение диэлектрической проницаемости. Эти диэлектрики получили название κ-диэлектриков. В таблице приведены ключевые физические данные, соответствующие важнейшим из них.
При использовании вместо SiO2 κ-диэлектриков такое же как и для SiO2 управление
инверсным зарядом при κ-диэлектрике будет поддерживаться при уже заметно бóльшей
толщине диэлектрика. Это означает, что VG одинаково управляет ВАХ транзистора и при
SiO 2
 -диэл
, и при dox
, которые соотносятся друг с другом как
d ox
SiO2
 -диэл
dox
 dox
 -диэл
SiO2
.
SiO 2
Например, вместо SiO2 с d ox
= 1 нм с тем же управлением по току можно испольTa 2O5
зовать Ta2O5 с dox
= 6,4 нм. А при толщине подзатворного диэлектрика равным 6,4 нм
ток утечки по сравнению с толщиной 1 нм будет меньше более чем на 10 порядков величины (в десятки миллиардов раз).
Таблица – Параметры подзатворных диэлектриков
Диэлектрик
Диэлектрическая по- Ширина запрещенстоянная, ε
ной зоны, EG, эВ
Al3O2
TiO2
Ta2O5
HfO2
ZrO2
La2O3
Y2O3
9
В зависимости от
технологического
процесса получения
4÷86
26
25
25
30
15
8,7
3,5
Потенциальный барьер на границе с
кремнием, Eb, эВ
2,8
1,2
4,5
5,7
7,8
4,3
5,6
1,5
1,4
1,5
2,3
2,3
Er2O3
PrO2
SiO2
14,4
25
3,9
7,5
3
8,9
3,5
1,0
3,2
Однако применение κ-диэлектриков помимо серьезных технологических проблем,
связанных с их нанесением на кремниевую подложку, имеет еще один существенный недостаток. Наиболее перспективные κ-диэлектрики — TiO2, Ta2O5, HfO2 — имеют очень
малую высоту потенциального барьера Eb (четвертая колонка таблицы) для горячих электронов (от 1,2 эВ до 1,5 эВ), что недопустимо, так как приводит к сильной деградации
транзисторов вследствие эффектов горячих электронов. Преодоление этой проблемы связано с формированием между κ-диэлектриком и Si буферного слоя SiO2. Данный слой,
имея Eb = 3,2 эВ, не допускает, точнее, сдерживает инжекцию горячих электронов в подзатворный окисел (см. рис. 27 и 28).
Слой κ-диэлектрика позволяет увеличить толщину подзатворного диэлектрика без
потери в управлении током стока. Это управление определяется так называемой эквиваэкв
лентной толщиной диэлектрика dox
, равной
SiO 2
экв
 -диэл
dox
 dox
 dox
SiO2
 -диэл
.
EbSiO2
Ebκ-диэл
 -диэл
dox
 -диэл
SiO 2
dox
d ox
Подложка
Подложка
Затвор
Затвор
κ-диэлектрик
Рис. 27. Однослойный подзатворный диэлектрик
κ-диэлектрик
Рис. 28. ДвухслойныйSiO
подзатворный
ди2
электрик
Эта величина определяет удельную емкость подзатворного диэлектрика С 
SiO 2
,
экв
d ox
которая определяет концентрацию инверсного заряда в канале транзистора:
Ninv  C VG  VT  . В то же время ток утечки через подзатворный диэлектрик будет определяться физической толщиной этого двухслойного диэлектрика, которая равна
SiO2
SiO 2
-диэл
. Например, структура с одним слоем SiO2 толщиной d ox
= 2 нм одdox  dox
 dox
нотипна по свойству управления подвижным зарядом в канале двухслойной структуре, в
Ta 2O5
частности, со слоем Ta2O5 толщиной dox
= 6,4 нм и буферным слоем SiO2 толщиной
SiO 2
= 1 нм, т.е. подзатворному диэлектрику общей толщиной в 7,4 нм.
d ox
Обычно технология создания таких диэлектриков построена на формировании на поверхности кремния обычным окислением тонкого окисла SiO2, а потом напылении на этом
слое SiO2 слоя κ-диэлектрика.
§ 2. МОП-транзисторы с S4D –областями истока и стока.
На рис. 29 приведена геометрическая схема его структуры.
Спейсер
Исток из силицида
титана
Поликремниевый
Спейсер
затвор
Si3N4
Si3N4
SiO2
TiSi2
Сток из силицида титана
TiSi2
LDD- LATID-области
толщиной djc ≤ 0,1
мкм
n+
n+
Рис. 29. Структура S4D-МОП-транзистора
В этом транзисторе горячие электроны отделены от затвора двумя диэлектриками
— подзатворным SiO2 толщиной порядка 4 нм и спейсером Si3N4 толщиной порядка
20 нм. В канале их, как правило, очень мало и они слабо инжектируют в подзатворный
окисел, и потому почти не вызывают деградацию порогового напряжения. Подавляющее
же их большинство (также как и в стандартной LATID–конструкции) образуется в подлегированной области. Но эта область расположена уже под спейсером толщиной 20 нм, а
не под тонким окислом. В результате горячие электроны как бы изолируются, изымаясь из
процессов, определяющих надежную работу МОП-транзистора. Во-первых, проникнуть
через толстый спейсер и вызвать ток утечки затвора они практически не в состоянии. Вовторых, их проникновение в этот спейсер и оседание в нем на ловушках фактически никак
не влияет на пороговое напряжение, так как для последнего главное — чистота от горячих
электронов подзатворного SiO2, а не спейсера Si3N4. И, в-третьих, создаваемые в LATIDобласти горячие электроны из-за близости пленки силицида титана, образующего сток,
почти мгновенно уходят на нее, не производя лавинного умножения носителей заряда и не
вызывая таким образом деградации тока стока. Ввиду того, что в этом токе заметно увеличивается доля горячих электронов, величина его в S4D-МОП-транзисторе должна быть
заметно выше по сравнению с другими типами МОП-транзисторов и при этом ток стока
должен быть более устойчивым к деградационным процессам, вызванным горячими электронами.
Таким образом, S4D-МОП-транзисторы могут рассматриваться сегодня как одни из
самых перспективных МОП-конструкций для транзисторов с длиной канала порядка
0,1 мкм.
§ 3. КНИ-МОП-транзисторы
Одной из перспективных конструкций МОП-транзисторов являются КНИ-МОПтранзисторы. На рис. 30 представлена наиболее интенсивно исследуемая теоретически и
экспериментально структура с полностью обедненным проводящим слоем кремния, эпитаксиально выращенным на толстом слое оксида кремния. Наибольшее внимание сегодня
имеют транзисторы со следующим конструктивно-технологическими параметрами:
Lch = 0,075÷0,15 мкм; NA = 1023 ÷51023 м–3; dox = 3÷8 нм; dj = 3÷10 нм; dch= = 5÷10 нм; dbur=
10÷100 нм; n+ =1025 м–3.
VG
VS
VD
dox
SiO2 gate
Рис. 30. Полностью обедненные КНИ-МОП-транзисторы
Преимущества КНИ-МОП-транзисторов связаны с двумя достоинствами. Первое
2s0si
— область обеднения заряда N depl ограничена не размером
 zinv , как в станeN A
дартном МОП-транзисторе, а только величиной dch, которая фактически сравнима с zinv .
В этой связи инверсный заряд легко контролируется VG , и короткоканальные эффекты
практически не влияют на этот заряд, а следовательно и их действие незначительно. Точно также снижено и влияние вторичных дырок на увеличение тока стока в связи с уменьшением N depl , однако до конца оно не убирается, так как вторичные дырки вынуждены
удаляться из канала только через исток, где они модифицируют определенным образом
высоту барьера исток-канал (наподобие эффекта DIBL).
Второе достоинство связано с защитным окислом (SiO2 buried). На его границе с
каналом возникает напряженность поля, которую можно рассчитать согласно:
2eN AVbur
,
Fbur 
 0 oxbur
где Fbur и Vbur – напряженность поля на поверхности защитного окисла и падение напряжения в нем.
Эта напряженность поля вызывает такое распределение потенциала в канале КНИМОП-транзистора, что по сравнению со стандартным МОП-транзистором, во-первых,
напряженность продольной составляющей поля в канале слегка уменьшается и изменяется
вдоль канала более пологим образом, а во-вторых, напряженность поперечной составляющей вообще фактически равна 0. Очевидно, что благодаря этому и разогрев электронов в
КНИ-МОП-транзисторах будет заметно меньше, нежели в стандартных МОПтранзисторах. Тем не менее, при очень малых длинах канала, инжекция горячих электронов в подзатворный окисел будет со временем приводит к деградации локального порогового напряжения, которая совершенно нежелательна при переключениях истока и стока.
§ 4. SiGe–МОП-транзисторы
На рис. 31 приведена конструктивная схема МОП-транзисторов на основе SixGe1–x
гетероструктур. Перспективные конструкции данных транзисторов исследуются в следующих диапазонах: Lch = 0,08÷0,15 мкм; dox = 3÷8 нм; dch= 10÷20 нм; NA =1023 ÷51023
м–3; dj = 0,05÷0,2 мкм; n+=1025 м–3.
VG
VS
VD
dox
n+
dch
SiO2 gate
Lch
n – Si
n+
dbur
SixGe1–x
Рис. 31. МОП-транзисторы на основе SixGe1–x гетероструктур
Характер работы МОП-транзисторов на SixGe1–x гетероструктурах и проявления
короткоканальных эффектов и эффектов горячих электронов в его канале однотипны
КНИ-МОП-транзисторам. Различия наблюдаются только в физических свойствах проводящих каналов.
Проводящий канал транзистора сформирован в так называемом напряженном слое
кремния. Фактически в этом транзисторе образуется сверхрешетка, у которой в слое
кремния модифицируется некоторые физические константы под слой SixGe1–x , в частности, уменьшаются ширина запрещенной зоны и масса проводимости электронов. Это, вопервых, приводит к еще более лучшему управлению током с помощью затворного напряжения, а во-вторых, обеспечивает более высокую подвижность электронов в канале. Последнее в совокупности с малой длиной канала приводит к некоторому росту средней
энергии электронов в канале, но при этом и к очень резкому спаду функции распределения по энергии. В результате количество горячих электронов (с энергиями 2 эВ и выше) в
канале транзистора заметно уменьшается по сравнению со стандартными МОПтранзисторами и даже с КНИ-МОП-транзисторами. Очевидно ожидать вследствие этого
дополнительного снижения влияния эффектов горячих электронов.
Контрольные вопросы
1. Что такое МОП-транзистор и его принципиальное отличие от биполярного транзистора?
2. Каковы основные функции МОП-транзисторов в современных микросхемах?
3. В чем заключается цифровая функция МОП-транзисторов?
4. p- или n-канальные МОП-транзисторы являются ключевым функциональным звеном логического элемента НЕ?
5. Что такое комплементарный МОП-транзистор?
6. Что такое защелкивание МОП-транзисторов?
7. Что такое приборы с зарядовой связью?
8. В каких устройствах и сегодня активно используются ПЗС-матрицы?
9. Как происходит запись информации на элементы флеш-памяти?
10. Какова причина образования инверсионного слоя в МОП-транзисторе?
11. Обедненный или обогащенный слой образуется в n-канальных МОП-транзисторах при
нулевом напряжении на затворе?
12. Что такое напряжение плоских зон?
13. Что такое пороговое напряжение и может ли оно равняться нулю?
14. Какой закон определяет падение напряжения на границе раздела подзатворный окисел/подложка транзистора при ненулевом затворном напряжении?
15. В сторону подложки или затвора изогнутся зоны в окисле для n-канального МОПтранзистора при отрицательном напряжении на затворе?
16. Чему равна емкость подзатворного окисла?
17. Какие процессы определяют время переключения МОП-транзистора?
18. Равно ли время образования инверсионного слоя времени переключения МОПтранзистора?
19. Какое основное условие появления линейного участка ВАХ МОП-транзистора?
20. Какие процессы определяют нелинейность ВАХ МОП-транзистора?
21. Какие основные параметры характеризуют электронный перенос в МОП-транзисторе?
22. Какие факторы преимущественно определяют величины этих параметров?
23. Какие основные механизмы рассеяния прерывают свободный пробег электронов в канале
МОП-транзисторов?
24. Что такое “горячий” электрон?
25. Что такое короткоканальные эффекты в МОП-транзисторах и почему их отличают от
эффектов горячих электронов?
26. Что такое DIBL-эффект?
27. Для чего нужны нужны диэлектрики с высоким значением диэлектрической проницаемости?
28. В чем преимущества КНИ-МОП-транзисторов?
29. В чем преимущества SiGe-МОП-транзисторов?
30. Каковы основные тенденции миниатюризации кремниевых МОП-транзисторов?
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Лабораторная работа 1.
Расчет влияния длины канала МОП-транзистора на величину напряженности
поля вблизи стока
Цель работы: Научиться рассчитывать распределение потенциала в канале МОПтранзистора с помощью компьютерной программы ЖSiМОП_ТР.
Теоретическая часть:
Компьютерная программа ЖSiМОП_ТР моделирует перенос большого числа электронов в канале кремниевого МОП-транзистора методом Монте-Карло. Она позволяет с
помощью данного численного моделирования рассчитать значения электрического потенциала в любой точке проводящего канала транзистора. При запуске программа запрашивает информацию о ряде конструктивно-технологических параметров моделируемого
МОП-транзистора и величине приложенных к электродам напряжений. После счета (несколько часов) программа выдает большое количество данных о поведении моделируемого МОП-транзистора в исследуемых условиях.
Практическая часть:
1. В соответствии со своим вариантом выбрать данные транзистора для моделировния
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Вариант 4
Вариант 5
Вариант 6
Вариант 7
Вариант 8
Lch ,
мкм
tox , нм
0.5
0.6
0.4
0.3
0.7
0.25
0.4
0.5
10
12
8
8
12
7
10
9
x j , нм
50
60
40
40
50
30
30
40
VD , В
2
3
2
1
4
2
3
3
VG , В
2
2
1
1
1
1
2
2
2. Запуская для моделирования в программе ЖSiМОП_ТР 1000 электронов снять
значения электрического потенциала в 20 точках проводящего канала расположенных у
стока на расстоянии 1/10 от Lch . При этом смотреть точки как у поверхности раздела окисел–полупроводник, так и в глубине подложки.
3. Построить распределения электрического потенциала вблизи стока МОПтранзистора.
4. Рассчитать напряженность поля вблизи стока в разных сечениях в глубь подложки


по формуле
, где  – изменение потенциала на расстоянии 1/10 Lch от стока в
Lch
данном сечении, а Lch = 1/10 Lch .

Лабораторная работа 2.
Измерение ВАХ МОП-транзистора и определение порогового напряжения
Цель работы: Получить ВАХ МОП-транзистора и научиться определять из них величину
порогового напряжения.
Теоретическая часть:
Входная характеристика МОП-транзистора определяет зависимость тока стока от затворного напряжения при разных напряжениях на стоке или подложке. Данная характеристика при разных напряжениях на подложке имеет вид
ID
VS2 > VS1
VS1
VS2
VG
VT1 VT2
С увеличением напряжения на подложке для того, чтобы получить одно и то же значение тока стока, нужно подавать более высокое значение напряжения на затворе. Это
связано с тем, что напряжение на подложке увеличивает пороговое напряжение. Как известно, величина инверсного заряда определяется согласно
C0 VG  VT  VS   Qn .
Очевидно, что с ростом напряжения на подложке VS , величина инверсного заряда Qn , а
соответственно и тока стока I D , будет уменьшаться. Чтобы поддерживать величину тока
на одном уровне, надо увеличивать напряжение на затворе VG . Построенная зависимость
I D от VG при конкретном VS имеет два участка — пологий нелинейный и крутой линейный. Если продлить линейный участок до пересечения с осью VG , в точке пересечения
его с этой осью получим величину VG , соответствующую пороговому напряжению VT .
Практическая часть:
1. Для работы использовать лабораторный стенд с тестовыми МОП-транзисторами.
2. В соответствии со своим вариантом выбрать значение напряжения на стоке
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Вариант 4
Вариант 5
Вариант 6
Вариант 7
Вариант 8
0,5
1
0,75
0,3
0,8
1,2
0,6
0,4
VD , В
3. Снять ВАХ тестового МОП-транзистора, заполнив следующую таблицу.
4. Построить данные ВАХ.
5. Определить на ВАХ значения порогового напряжения для разных значений VS , заполнив таблицу
VS = 1 В VS = 2 В VS = 4 В
VS = 7 В VS = 10 В
VT , В
6. Построить график зависимости VT ( VS ) для тестового МОП-транзистора.
Лабораторная работа 3.
Определение концентрации примеси в подложке МОП-транзистора
при измерении ВАХ транзистора
Цель работы: Рассчитать с помощью входных ВАХ тестового МОП-транзистора концентрацию акцепторной примеси в подложке.
Теоретическая часть:
Входные ВАХ МОП-транзистора имеют вид
ID
VS2 > VS1
VS1
VS2
VG
VG
При разных напряжениях на подложке VS , между кривыми тока, полученными для двух
любых VS1 и VS 2 практически сразу устанавливается постоянное значение сдвига VG.
Величина этого сдвига, если VS1 = 0, может быть рассчитана согласно формуле
C0VG  2e0Si N A
где C0 
0SiO2
dSiO2
, f 5


2 f  VS 2  VD  2 f  VD ,
k BT
Ln50 .
e
При увеличении напряжения VS чтобы поддерживать постоянным ток I D , нужно
увеличивать величину VG . Очевидно, что можно получить зависимость VG от VS при
условии постоянства I D . Она имеет вид
VG

ID = const
VS
Угол  наклона касательной к данной зависимости в точке с очень малым значением
VS (т.е. вблизи оси VG ) также может быть рассчитан аналитически с помощью следующей
формулы
1 2e0Si N A
tg 
2 f  VS 2 ,
2
C02
VG
, здесь VS1 = 0, VG  VG 2  VG1 , VG 2 обеспечивает ту же величину I D при
VS 2
VS 2 , что и VG1 при VS1 = 0.
где tg 
Практическая часть:
1. Для работы использовать лабораторный стенд с тестовыми МОП-транзисторами.
2. В соответствии со своим вариантом выбрать значение напряжения на стоке
VD , В
VS1
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Вариант 4
Вариант 5
Вариант 6
Вариант 7
Вариант 8
0.5
1
0.75
0.3
0.8
1.2
0.6
0.4
3. Снять входные ВАХ тестового МОП-транзистора для двух значений VS . При этом
= 0, а VS 2 взять в соответствии со своим вариантом
VS 2 , В
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Вариант 4
Вариант 5
Вариант 6
Вариант 7
Вариант 8
2
4
3
1
5
6
4
2
4. Построить ВАХ и найти из них величину VG.
5. Рассчитать по формуле, зная VG, величину N A . Толщина окисла равна dSiO2 =0.4
мкм.
6. Выберите значение тока стока, соответствующее VS1 = 0 и VG1 = 1.1 VT . Поддерживая это значение постоянным, построить зависимость VG от VS при условии постоянства I D . Заполните следующую таблицу
VS = 1 В
VS = 2 В
VS = 4 В
VS = 7 В
VS = 10 В
VG , В
VG
.
VS 2
8. Подставьте данную величину в формулу расчета N A и рассчитайте N A .
7. Рассчитайте величину tg 
9. Сравните два значения N A , рассчитанные с помощью двух приемов.
Лабораторная работа 4.
Расчет влияния уменьшения длины канала МОП-транзистора
на величину тока стока
Цель работы: Научиться рассчитывать величину тока стока в МОП-транзисторе с помощью компьютерной программы ЖSiМОП_ТР.
Теоретическая часть:
Компьютерная программа ЖSiМОП_ТР моделирует перенос большого числа электронов в канале кремниевого МОП-транзистора методом Монте-Карло. Она позволяет с
помощью данного численного моделирования рассчитать значения тока стока прибора.
Практическая часть:
1. В соответствии со своим вариантом выбрать данные транзистора для моделировния
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Вариант 4
Вариант 5
Вариант 6
Вариант 7
Вариант 8
Lch ,
мкм
tox , нм
0.5
0.6
0.4
0.3
0.7
0.25
0.4
0.5
10
12
8
8
12
7
10
9
x j , нм
50
60
40
40
50
30
30
40
VG , В
2
2
1
1
1
1
2
2
2. Запуская для моделирования в программе ЖSiМОП_ТР 1000 электронов получить значения тока стока для следующих значений напряжения на стоке
VD =0.5 В VD =1 В VD =1.5 В VD =2 В VD =2.5 В VD =3 В
ID , А
3. Построить зависимость I D ( VD ).
ТЕСТЫ ПО ВСЕМУ КУРСУ
Вопрос 1.
Входные ВАХ МОП-транзистора, изображенные на рисунках, соответствуют условиям
ID
ID
VS1
VD1
VD2
VG
VS2
VG
Варианты ответа
1. VD1  VD 2 , VS1  VS 2 .
2. VD1  VD 2 , VS1  VS 2 .
3. VD1  VD 2 , VS1  VS 2 .
4. VD1  VD 2 , VS1  VS 2 .
Правильно 3).
Вопрос 2.
Когда МОП-транзистор переключен в состояние “0”, как соотносятся его сопротивления
Варианты ответа
1. Rист  Rканал .
2. Rист Rканал .
3. Rист  Rканал .
4. Rист Rканал .
Правильно 3).
Вопрос 3.
Рисунок ниже отражает процессы
ID , VD
VDD
ID
IDраб
VD
VDост
t1
t2
t3
Варианты ответа
1. Переключения из “0” в “1”.
t
2. Переключения из “1” в “0”.
3. Образования инверсионного слоя.
4. Пробоя транзистора.
Правильно 2).
Вопрос 4.
Диаграмма ниже соответствует
VSiO2
VSi
VG
SiO2
z
zdepl
Варианты ответа
1. Подачи положительного VG на затвор p-канального МОП-транзистора.
2. Подачи положительного VG на затвор n-канального МОП-транзистора.
3. Подачи отрицательного VG на затвор p-канального МОП-транзистора.
4. Подачи отрицательного VG на затвор n-канального МОП-транзистора.
Правильно 1).
Вопрос 5.
Размеры области обеднения в МОП-транзисторе рассчитываются согласно
Варианты ответа
1. zdepl  20SiVSi .
eN A
2. zdepl  20SiVSi .
2 2
e NA
3. zdepl 
eN A .
20SiVSi
4. zdepl  20SieVSi .
NA
Правильно 1).
Вопрос 6.
Защелкивание комплементарных МОП-транзисторов проявляется в следующем
Варианты ответа
1. Прибор не может переключиться из “1” в “0”.
2. Прибор не может переключиться из “0” в “1”.
3. Пробой транзистора.
Правильно 2).
Вопрос 7.
В флеш-памяти наличие заряда на плавающем электроде означает
Варианты ответа
1. Записана логическая “1”.
2. Записан логический “0”.
3. Транзистор готов к записи “0” или “1”.
Правильно 1).
Вопрос 8.
В флеш-памяти на n-канальных МОП-транзисторах стирание информации осуществляется
подачей
Варианты ответа
1. Маленького положительного VG и высокого положительного VD.
2. Маленького положительного VG и маленького отрицательного VD.
3. Высокого положительного VG и высокого отрицательного VD.
4. Высокого отрицательного VG и высокого положительного VD.
Правильно 4).
Вопрос 9.
Закон Гаусса устанавливает
Варианты ответа
1. Связь между затворным напряжением и концентрацией инверсных электронов.
2. Связь между толщиной подзатворного окисла и зарядом в нем.
3. Связь между затворным напряжением и потенциалом объема в подложке МОП-транзистора.
4. Связь между стоковым напряжением и концентрацией инверсных электронов.
Правильно 1).
Вопрос 10.
Величина потенциального барьера между истоком и инверсным каналом в n-канальном
МОП-транзисторе равна
Варианты ответа
k T N 
1. B ln  A  .
e
 ni 
2.
kBT  N A 
ln 
.
e
 Ne 
kBT  n
ln 
 ni
e


 .

k T  n 
4. B ln 
.
 N e 
e


Правильно 4).
3.
Вопрос 11.
Соотношение
k BT  n   k BT  N A 
ln   
ln 
 определяет
 ni 
e
e
n
 i 
 
Варианты ответа
1. Падение напряжения на подложке.
2. Величину потенциального барьера между истоком и подложкой.
3. Падение напряжения в канале при малых VD.
4. Ничего не определяет.
Правильно 2).
Вопрос 12.
Рисунок ниже соответствует какому участку на выходной ВАХ МОП-транзистора
канал n – металлургический
канал n – дрейфовый
исток
n+
сток
n+
VD
ΔLист
ΔLст
Варианты ответа
1. Отсутствию тока в МОП-транзисторе.
2. Линейному участку ВАХ.
3. Участку перехода к насыщению.
4. Участку с насыщенным током.
Правильно 3).
Вопрос 13.
Насыщение тока стока обусловлено преимущественно каким процессом
Варианты ответа
1. Дрейфовая скорость электронов в канале МОП-транзистора насыщается.
2. Концентрация электронов в канале МОП-транзистора уменьшается.
3. Концентрация электронов у стока значительно уменьшается по сравнению с областью канала у
истока.
4. Причины неизвестны.
Правильно 3).
Вопрос 14.
Основным механизмом рассеяния электронов в канале МОП-транзистора, уменьшающим
его подвижность, является
Варианты ответа
1. Ударная ионизация.
2. Рассеяние на ионах примеси.
3. Рассеяние на фононах.
4. Рассеяние на электронах и дырках.
Правильно 3).
Вопрос 15.
Подвижность электронов в канале МОП-транзистора максимальна
Варианты ответа
1. У истока.
2. В первой половине канала.
3. В середине канала.
4. У стока.
Правильно 2).
Вопрос 16.
Может ли электрон в канале МОП-транзистора разогреться до энергии, больше чем
напряжение на стоке
Варианты ответа
1. Нет.
2. Да, часто.
3. Да, редко.
4. Да, но в единичных случаях.
Правильно 3).
Вопрос 17.
В какой области канала наблюдается максимальная напряженность тянущего электрического поля
Варианты ответа
1. У истока.
2. В середине канала.
3. У стока вблизи поверхности раздела Si/SiO2.
4. У границы стока, находящейся в подложке.
Правильно 4).
Вопрос 18.
К короткоканальным эффектам не относится следующий эффект
Варианты ответа
1. Уменьшение высоты барьера на границе с истоком.
2. Увеличение концентрации инверсных электронов с уменьшением длины канала.
3. Инжекция горячих электронов в тонкий подзатворный окисел.
4. Смыкание обедненных областей истока и стока.
Правильно 3).
Вопрос 19.
При использовании -диэлектриков в качестве подзатворных их толщина эквивалентна
следующей толщине оксида кремния
Варианты ответа
 -диэл

1. dox
SiO2  -диэл
SiO 2
dox
SiO2
 -диэл
 dox
3. dox
 -диэл
SiO2
SiO2
SiO2
 -диэл
 dox
2. dox
.
 -диэл
.
.
SiO2
SiO2
 -диэл
 dox
4. dox
.
 -диэл
Правильно 3).
Вопрос 20.
Максимальная напряженность поперчного поля в КНИ-МОП-транзисторе на границе со
скрытым окислом равна
Варианты ответа
2eN AVbur
1. Fbur 
.
2. Fbur 
 0 oxbur
3. Fbur 
eN A
2 0 oxburVbur
Правильно 1).
.
2 0 oxburVbur
.
eN A
4. Fbur  2eN A 0 oxburVbur .
Вопрос 21.
В КНИ-МОП-транзисторах по сравнению со стандартными МОП-транзисторами лучше
подавляются
Варианты ответа
1. Короткоканальные эффекты.
2. Эффекты горячих электронов.
3. И короткоканальные эффекты и эффекты горячих электронов.
4. Ничего лучше не подавляется.
Правильно 1).
Вопрос 22.
В SiGe-МОП-транзисторах по сравнению со стандартными МОП-транзисторами что лучше
Варианты ответа
1. Выше подвижность электронов.
2. Снижено влияние эффектов горячих электронов.
3. Подавляются короткоканальные эффекты.
4. Ничего не лучше.
Правильно 1).
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ БИЛЕТЫ
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны
Дысцыплiна
бiлет
№ 1
Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Расчет удельного заряда акцепторов при сильной инверсии
2. Эффективный заряд МОП-структуры и его формирование
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны
Дысцыплiна
бiлет
№ 2
Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Энергетическая диаграмма МОП-структуры в режимах обогащения,
плоских зон, обеднения
2. Пороговое напряжение МОП-структуры. Образование инверсионного
слоя
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны
Дысцыплiна
бiлет
№ 3
Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Трехфазный сдвиговый регистр. Формирование управляющих напряжений
2. Выходные вольтамперные характеристики МОП-транзистора
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны бiлет № 4
Дысцыплiна Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Методы измерения подвижности электронов в канале МОП-ПТ
2. Вывод условия сильной инверсии в МОП-полевом транзисторе
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны бiлет № 5
Дысцыплiна Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Определение уровня легирования полупроводника из вольт-фарадной
характеристики МОП-конденсатора
2. Влияние контактной разности потенциалов и эффективного заряда на
пороговое напряжение МОП-структуры
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны бiлет № 6
Дысцыплiна Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Расчет заряда МОП-структуры методом решения уравнения Пуассона в
одномерном случае
2. Потенциальная диаграмма идеального Si/SiО2 гетероперехода. Метод ее
построения
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны бiлет № 7
Дысцыплiна Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Определение уровня легирования подложки МОП-ПТ по изменению
выходной характеристики
2. Перекрытие канала МОП-транзистора. Эффект укорочения канала.
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Дысцыплiна
Экзаменацыйны бiлет № 8
Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Эффекты горячих электронов в МОП-транзисторах
2. Основные механизмы рассеяния электронов в канале МОП-транзистора
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Дысцыплiна
Экзаменацыйны бiлет № 9
Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Вывод уравнения для расчета тока в МОП-ПТ по методу управления
зарядом
2. Принцип действия прибора с зарядовой связью
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны
Дысцыплiна
бiлет
№ 10
Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Максимальный потенциал поверхности Si/SiО2 при инверсии
2. Расчетная формула для потенциала в нейтральном объеме полупроводника
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Э к з а м е н а ц ы й н ы б i л е т № 11
Дысцыплiна Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Эффект перекрытия обедненных областей истока и стока. Минимальная
длина канала
2. Входные и выходные характеристики МОП-транзистора
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Э к з а м е н а ц ы й н ы б i л е т № 12
Дысцыплiна Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. МОП-транзисторы на основе структуры кремний-на-изоляторе
2. Определение уровня легирования подложки МОП-ПТ по изменению
выходной характеристики
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны
Дысцыплiна
бiлет
№ 13
Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. МОП-транзисторы с LDD- и DDD-структурами
2. Влияние толщины подзатворного окисла на ВАХ МОП-ПТ
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Э к з а м е н а ц ы й н ы б i л е т № 14
Дысцыплiна Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Энергетическая диаграмма МОП-ПТ в неравновесном режиме
2. Формирование обедненной области под действием напряжений на затворе, подложке и стоке
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________
Белгосуниверситет
Экзаменацыйны
Дысцыплiна
бiлет
№ 15
Электронные процессы в приборных структурах МОП
Зiмовая экзаменацыйная сесiя
2010/2011 навучальнага года
1. Флеш-память на основе МОП-транзистора
2. Короткоканальные эффекты в МОП-транзисторе
Загадчык кафедры ________________ Выкладчык ____________________
Дата зацвярджэння _________________________________________________