Кафедра физической электроники и нанотехнологий
Белорусский государственный университет

доцент

ЖЕВНЯК Олег Григорьевич
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИБОРНЫХ СТРУКТУРАХ МЕТАЛЛ-ОКИСЕЛ-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 МДП-транзистором (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 n-канальным, а конструкция транзистора представляет собой контакты полупро­водниковых областей разной проводимости типа n-p-n. Цепь про­текания электрического тока образуют элек­трод, на который по­дается напряжение V_S, 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 V_D.

Величина тока, протекающего в транзисторе, во многом оп­ределяется напряжением, подаваемым на электрод затвора — на­пряжением V_G. 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 . Величина емкости подзатворного окисла МОП-транзи­стора совпадает с емкостью плоского конденсатора и может быть рассчитана с помощью формулы , где – диэлек­трическая проницаемость оксида кремния, – диэлектриче­ская постоянная, – ширина поверхности подзатвор­ного окисла и – 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 V_G 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.

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 V_S; размеры затвора с электродом затвора, на который подают напряжение за­твора V_G; размеры области стока с электродом стока, на который подают напряжение стока V_D; длина канала L_ch, 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 d_j, которая обычно связана с длиной канала (порядка L_ch/4) и изменяется в диапазоне 0,05÷0,3 мкм; толщина подзатворного окисла d_ox, равная в МОП-транзи­сторах, используемых в современных микросхемах, 3÷8нм; тол­щина подложки d_ch, обычно произвольного размера, превышаю­щего величину L_ch; уровень легирования подложки акцепторной примесью N_A, 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 V_G будет являться прямым — открывающим диод, а отрицательное V_G — обратным, закрывающим диод. Для конст­рукции типа p-n-p полярность соответствующих напряжений V_G изменится — отрицательное напряжение станет прямым, а поло­жительное — обратным.

	VD
Рис. 2. Типичная входная ха­рактеристика МОП-ранзистора	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 V_G, то предпола­гаемые кривые сойдутся в одной точке. Эта точка задает опреде­ленное значение V_G, называемое пороговым (и обозначается как V_T), при котором ток стока близок к нулю или точнее начинает стремительно изменяться. При напряжениях V_G меньше порого­вых ток стока очень мал и в практических случаях считается рав­ным 0. При напряжениях V_G чуть больше порогового ток стока начинает быстро увеличиваться. Наличие порогового напряжения, т.е. диапазона изменения V_G < V_T, 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 V_D 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 V_D, называемой напряжением насыщения V_Dsaе, 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 V_D). Очевидно, что с увеличением V_G заметно увели­чивается ток стока, что свидетельствует о том, что с ростом V_G 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 ис­пользования 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 МОП-транзисторы. 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 вольт-амперные характе­ристики этих приборов (см. рис. 2 и 3).

В качестве резистора МОП-транзистор может служить по причине того, что его общее сопротивление определяется как . Первое и третье сопротивления приблизительно одинаковы, зависят от затворного напряжения, но составляют несколько десятков Ом и меняются на величину не­сколько Ом при изменении V_G. Сопротивление же в зави­симости от V_G может составлять как десятки Ом, так и десятки МОм. Устанавливая соответствующее напряжение V_G, можно за­давать МОП-транзистор 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 V_G, когда очень велико, данный транзистор при подключении элек­тродов истока и стока в нагрузочную цепь будет выполнять функ­ции диода с обратным включением. При V_G, когда 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 V_G, при котором — минимально, точнее счита­ется, что в этом случае данный конденсатор заряжен. Когда 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 V_DD, 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 МОП-транзисторов 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 V_DD, 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 V_DD зависит от подачи определенных напряжений, эквивалентных “0” и “1”, на Входы схем логических элементов, в состав которых входят МОП-транзисторы. 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 V_DD. 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 V_DD, 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 V_G и напряжение пи­тания V_DD. 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 V_G и V_DD. 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 (V_DD), 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 . Сопротивления и задаются конст­руктивно и фактически не меняются от напряжений, подаваемых на затвор и сток транзистора. А вот сопротивление устанав­ливается с помощью напряжения на затворе V_G. Для n-ка­нального МОП-транзистора положительное V_G устанавливает ма­лое значение сопротивления , тогда как отрицательное V_G или нулевое задает очень большое сопротивление . Для p-канального МОП-транзистора наоборот — положительное V_G вы­зывает большое , а отрицательное V_G или близкое к нулю — малое .

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 . Ток, протекающий по цепи сопротивлений и , очевидно равен . Поэтому падения напряжения на соответствующих сопротивлениях будут равны

Рис. 4. Падение рабочего напряжения на МОП-транзисторе

, .

Очевидно, что при сопротивлении канала близком или совпа­дающем с , будут справедливы соотношения , , а при сопротивлении канала близком к , будут справед­ливы соотношения , .

Следовательно, если мы имеем n-канальный транзистор, включенный в цепь питания V_DD согласно рис. 4, то, подавая на его затвор положительное V_G, мы получим падение напряжение на транзисторе, близкое к 0. Обычно в микропроцессорах подача та­кого положительного V_G считается подачей цифрового сигнала “1”. Таким образом, для n-канального МОП-транзистор подача на Вход (т.е. затвор) “1” приведет к появлению на выходе (т.е. стоке) “0”. Отсутствие же сигнала на Входе (V_G на затворе равно 0), что приравнивается подаче “0”, приводит к появлению на выходе “1” (на стоке установится напряжение V_DD). В случае p-канального МОП-транзистора будет наблюдаться противоположная ситуация. Подача “0” на Вход (т.е. отсутствие напряжения на затворе) при­ведет к формированию сопротивления близкого к , 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 n-канальный 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.


n-канальный МОП-транзистор

p-канальный МОП-транзистор

Рис. 5. Представление МОП-транзисторов на схемах

			Вход		0		1
			Выход		1		0
Рис. 6. Элемент НЕ и таблица его функций
		Вход 1		0		1		0		1
		Вход 2		0		0		1		1
		Выход		1		0		0		0
Рис. 7. Элемент ИЛИ-НЕ и таблица его функций
		Вход 1		0		1		0		1
		Вход 2		0		0		1		1
		Выход		1		1		1		0
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 V_G, соответст­вующе 0, формирует в p-канальном МОП-транзисторе 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 V_DD 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 V_DD, т.е. будет наблюдаться логическая “1”. В случаях же, когда хоть на каком-нибудь Входе будет “1” (т.е. положительное на­пряжение V_G), 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 каком-нибудь 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 V_DD падает на последовательной цепочке n-канальных 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 МОП-транзисторы (КМОП-транзистора).

Лекция 3.

Приборы с зарядовой связью и флеш-память

Вопросы для рассмотрения:

1. Энергетические диаграммы и применение ПЗС

2. Основы флеш-памяти

следующая страница>