Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра РЕЗ
РЕФЕРАТ
На тему:
«КОНСТРУКЦІЇ ЕЛЕМЕНТІВ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МІКРОСХЕМ НА МДП-транзистори»
МІНСЬК, 2008
Інтегральні мікросхеми на транзисторах із структурою метал - діелектрик - напівпровідник отримали широке поширення, і їх виробництво складає значну частку продукції електронної промисловості. Вони займають домінуюче становище при випуску таких виробів мікроелектроніки, як напівпровідникові оперативні та постійні запам'ятовувальні пристрої, БІС електронних мікрокалькуляторів, БІС мікропроцесорних наборів.
ПРИНЦИПИ РОБОТИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ
Транзистори зі структурою МДП представляють собою одну з різновидів польових транзисторів - активних напівпровідникових приладів, в яких використовуються ефекти дрейфу основних носіїв під дією поздовжнього електричного поля і модуляції дрейфового струму поперечним електричним полем. Дія польових транзисторів засноване на переміщенні тільки основних носіїв заряду в напівпровідниковому матеріалі, у зв'язку з чим ці транзистори називають уніполярними на відміну від біполярних, що використовують обидва типи носіїв.
МДП-транзистори мають суттєві переваги перед біполярними по конструкції (розміри і займана ними площа відносно невеликі, в принципі, відсутня необхідність їх ізоляції) і електрофізичних параметрах (низький рівень шумів, стійкість до перевантажень по струму, високі вхідний опір і завадостійкість, мала потужність розсіювання , низька вартість).
У той же час БІС на МДП-транзисторах поступаються БІС на біполярних транзисторах в технологічній відтворюваності, стабільності параметрів і швидкодії.
МДП-транзистор має чотири електроди: витік, стік, затвор і підкладку. Напівпровідникова область, від якої починається дрейф основних носіїв, називається витоком, область, в якій здійснюється дрейф основних носіїв і амплітудна модуляція дрейфового струму,-каналом, область, до якої під дією поля рухаються (дрейфують) основні носії, - стоком, металева або напівпровідникова область, яка використовується для створення модуляції дрейфового струму, - затвором. Підкладка є конструктивною основою МДП-транзистора.
Рис.1. Конструкція МДП транзистора
Області витоку і стоку одного типу електропровідності формують на деякій відстані / к один від одного локальної дифузією або іонним легуванням (рис.1). Вони ізольовані один від одного р-п переходами. Між ними поверх шару діелектрика розташований затвор, виконаний з провідного матеріалу.
Принцип дії МДП-транзистора заснований на ефекті модуляції електропровідності поверхневого шару напівпровідникового матеріалу, розташованого між витоком і стоком. Цей ефект викликають накладенням поперечного електричного поля в просторі між проводять затвором і напівпровідниковим матеріалом (підкладкою) за рахунок напруги, що подається на затвор. Тип електропровідності каналу обов'язково збігається з типом електропровідності областей витоку і стоку. Так як тип електропровідності витоку, стоку і каналу протилежний типу електропровідності підкладки, то стік, витік і канал утворюють з підкладкою р-п перехід. Залежно від типу основних носіїв струму в каналі розрізняють п-канальні і р-канальні МДП-транзистори. За конструктивно-технологічним виконання МДП-транзистори поділяють на два різновиди: з вбудованим і з індукованим каналами (рис.2). Вбудований канал передбачений конструктивно і створюється на етапі виробництва транзистора легуванням при поверхневій області між витоком і стоком. Створюючи електричне поле в структурі метал - діелектрик - напівпровідник, можна керувати електропровідністю каналу і відповідно струмом, що протікає між витоком і стоком. Так, при негативному щодо n-каналу напрузі на затворі в каналі біля кордону напівпровідника з діелектриком концентрація електронів знижується і провідність каналу зменшується (режим збідніння) (рис.2, а). У р-канальному МДП-транзисторі в залежності від величини і полярності напруги на затворі спостерігається збіднення (u 3> 0) або збагачення (u 3 <0) каналу дірками (рис.2, б).
У МДП-транзисторі з індукованим каналом (рис.2, в) при нульовій напрузі на затворі канал відсутній.
Розглянемо якісно принцип дії транзистора з індукованим каналом n-типу (рис.2, в). Нехай транзистор включений так, що на підкладку подається самий негативний потенціал, а на затвор 0. У результаті р-п переходи витік - підкладка і стік - підкладка будуть зміщені у зворотному напрямку. Струм через обратносмещенний р-n перехід малий, що відповідає високому опору між областями витік - стік.
Рис.2. Структури і умовні позначення МДП-транзисторів: з вбудованими п-(а) і р-каналом (б), з індукованими л-(в) і р-каналом (г); І - витік; 3 - затвор; С - стік; П - підкладка.
І якщо до областей витік - сток підключити живлення, струм носіїв від джерела до стоку буде нікчемно малий, тобто транзистор буде закритий. Звернемо увагу на те, що структура затвор - діелектрик - напівпровідник подібна конденсаторної структурі, і докладемо до затвору позитивний потенціал. Під його дією в оксиді і тонкому приповерхневому шарі провідника буде створено електричне поле з напруженістю, пропорційної напрузі на затворі і обернено пропорційною товщині діелектрика. Під дією цього поля електрони, наявні в підкладці, будуть притягатися до поверхні напівпровідника, а дірки відштовхуватися. Тим самим буде змінюватися концентрація носіїв в тонкому приповерхневому шарі (4 ... 5 нм) напівпровідника між областями витік - стік. Спочатку утворюється шар, збіднений акцепторами, а потім, у міру зростання позитивного зсуву на затворі, інверсійний шар електронів. При певній напрузі на затворі, іменованому пороговим (Uo), між витоком і стоком утворюється проводить область - канал - з дуже низьким опором. Транзистор буде відкритий. Після цього струм стоку приймає певне значення при певній напрузі на затворі. Оскільки вхідний керуючий струм (у ланцюзі затвора) мізерно малий у порівнянні з керованою (у ланцюзі витік - стік), виходить значне посилення потужності, набагато більше, ніж у біполярних транзисторів. МДП-транзистор є ефективним підсилювальним приладом.
Електричний опір каналу залежить від його довжини і ширини, воно модулюється напругою на затворі і3 і залежить від напруженості наведеного поля в напівпровіднику, обернено пропорційно товщині діелектрика і прямо пропорційно діелектричної проникності діелектрика.
Таким чином, для формування індукованого каналу в n-канальному транзисторі на затвор необхідно подати позитивна напруга певної величини, а в р-канальному - негативне. Транзистори з індукованим каналом працюють тільки в режимі збагачення.
Витік і стік в принципі оборотні, і їх можна міняти місцями при включенні транзистора в схему. У цьому випадку при симетричній структурі транзистора (стік і джерело можуть відрізнятися формою, розмірами, площею) його параметри зберігаються.
Тут доцільно зупинитися на небажаному явище виникнення індукованих каналів в напівпровідникових структурах під дією позитивного електричного заряду в оксиді. Цей заряд виникає при формуванні оксиду на поверхні напівпровідникового матеріалу будь-якого типу провідності і обумовлений впровадженням у нього з навколишнього атмосфери, матеріалів технологічної оснастки і обладнання позитивних іонів лужних і лужноземельних металів. Він отримав назву вбудований заряд. Розташування такого заряду над напівпровідником р-типу електропровідності призводить до збільшення в його приповерхневому шарі числа електронів і зменшення концентрації дірок. При значній величині вбудованого заряду і малої концентрації акцепторної домішки в напівпровіднику це призводить до мимовільного утворення поблизу кордону оксид - напівпровідник індукованого каналу. Саме це явище довгий час перешкоджало створенню ефективної технології виробництва мікросхем на n-канальних МДН-транзисторах. Виходило, що деякі (або навіть всі) транзистори виявлялися у включеному стані за відсутності потенціалу на затворі. При виробництві мікросхем на р-канальних транзисторах вбудований заряд в оксиді викликає деяке збагачення поверхні напівпровідника електронами і дещо підвищує негативна напруга на затворі, необхідне для формування каналу р-типу електропровідності. Саме завдяки цьому перші МДП-мікросхеми були створені на р-канальних транзисторах, хоча заздалегідь було відомо про їх порівняно невеликому швидкодії, так як дірки в кремнії менш рухливі, ніж електрони.
Освіта індукованих каналів в областях р-типу електропровідності часто перешкоджає формуванню працездатних структур і в технології виготовлення мікросхем на біполярних транзисторах.
Для боротьби з вбудованим зарядом з метою зниження концентрації в оксиді позитивних іонів приймаються різні конструктивні та технологічні заходи: покриття оксиду тонким шаром гетерірующего іони лужних і лужноземельних металів фосфоросілікатного скла (1 ... 4% Р2О5), проведення процесу формування оксиду в хлорсодержащей середовищі і ін Дуже важливі з точки зору виробництва структур, що виключають мимовільне формування індукованих каналів, дотримання вимог гігієни виробничих приміщень, технологічного обладнання та обслуговуючого персоналу.
Крім поділу МДП-транзисторів за основною ознакою - способом формування і типом електропровідності провідного каналу - існує і більш детальна класифікація, що враховує конструктивно-технологічне виконання МДП-транзисторів, наприклад, за матеріалом затвора (з алюмінієвими, молібденових, полікремнієвої затворами); поєднанню з іншими елементами в мікросхемі, наприклад комплементарні МДП-транзистори (КМДП-транзистори), тобто взаємодоповнюючі, сформовані в одному кристалі р - і п-канальні транзистори; за функціями, що виконуються в схемі, наприклад активні і навантажувальні транзистори.
Навантажувальні МДП-транзистори використовують у складі мікросхем в якості резисторів. Необхідне значення опору каналу цих транзисторів створюється конструктивно (вибором геометричних розмірів каналу) і схемотехнічних (подачею на його затвор потенціалу певної величини).
Кожен з чотирьох типів МДП-транзисторів (рис.5.2) може бути використаний у якості навантаження, а його підкладка приєднана до джерела живлення або нульовою шині. Затвор ж може мати п'ять варіантів підключення: до виходу схеми, шині живлення, нульовий шині, автономного джерела живлення позитивної або негативної полярності, до входу мікросхеми. Іншими словами, існує 48 варіантів використання МДП-транзистора як навантаження в инвертор.
Базовою схемою багатьох МДП-мікросхем є інвертор - ключова схема, яка містить активний транзистор і навантаження, включені між шиною живлення і землею. З урахуванням 48 варіантів використання МДП-транзистора як навантаження і чотирьох варіантів схемного включення активного транзистора існує 192 варіанта побудови інверторів на основі двох МДН-транзисторів. В даний час використовуються лише деякі з них: з лінійною, нелінійної, квазілінійної, токостабілізірующей навантаженнями і варіант інвертора на КМДП-транзисторах (рис.3, а).
Деякі з цих варіантів надалі нами будуть розглянуті з точки зору конструктивного та технологічного їх виконання.
МДП-транзистори можуть служити у схемі і в якості конденсаторів, для чого можна використовувати ємкості структур затвор - підкладка або ємності обратносмещенних р-п переходів стік (джерело) - підкладка.
Таким чином, МДП-транзистор може бути основним і єдиним елементом, МДП-транзистор може бути основним і єдиним елементом МДП-мікросхем. Він може виконувати функції - як активних приладів (ключовий транзистор у инвертор, підсилювальний транзистор), так і пасивних елементів (навантажувальний транзистор в инвертор, конденсатор в елементі пам'яті). При проектуванні МДП-мікросхем можна обходитися лише одним елементом - МДП-транзистором, конструктивні розміри якого і схема включення будуть залежати від виконуваної функції.
Рис.3. Електрична схема інвертора з вхідний шиною, підключеною до охоронних діодів (а), і конструкція шини з охоронними діодами (б).
Ця обставина дає суттєвий виграш в плані інтегрованості (напівпровідникові резистори і конденсатори займають велику площу і вимагають для себе окрему ізольовану область, крім того, наявність пасивних напівпровідникових елементів тягне за собою появу додаткових паразитних елементів, зокрема паразитних ємностей, істотно погіршують частотні властивості мікросхем) .
ДОПОМІЖНІ ЕЛЕМЕНТИ МДП-МІКРОСХЕМ
Допоміжні елементи в МДП-мікросхемах передбачаються для захисту приладів від впливу статичної електрики в процесі їх виробництва та експлуатації, а також для боротьби з паразитними каналами.
Охоронні діоди передбачаються у вхідних ланцюгах МДП-мікросхем і призначені для запобігання пробою подзатворного діелектрика під дією зарядів статичної електрики, що накопичується на одязі і руках операторів, на інструменті монтажника і технологічної оснастки. Заряд цей може бути будь-якого знаку. Діоди VD 1 і VD 2 (див. рис 3), підключені до вхідних шині інвертора, дозволяють позитивного заряду стікати через діод VD 1, а негативного - через діод VD 2. При проектуванні охоронних діодів необхідно забезпечити високу напругу прибою р-п переходів діодів (більше 2 U і. П) і малі паразитні ємності. Перша вимога виконується використанням в якості однієї з областей діода VD 1 низьколегованої підкладки, а для діода VD 2 - низьколегованої р-області. Друга вимога виконують мінімізацією площі р-п переходів.
Недоліками розглянутої схеми захисту і конструкцій охоронних діодів є зменшення вхідного опору МДП-мікросхеми і поява вхідного струму витоку, а також те, що при U вх> U і. п. через вхідний ланцюг можуть протікати великі струми, що призводить до руйнування діодів. Часто використовують і більш прості схеми захисту з одним охоронним діодом (рис.4).
Охоронні кільця. При наявності позитивного вбудованого заряду в товстому оксиді та позитивного потенціалу на алюмінієвих шинах розводки створюються умови для формування паразитного індукованого і-каналу в приповерхневих ділянках кремнію р-типу електропровідності з низьким рівнем легування. Збільшення товщини діелектрика h т.д. (Рис.1) над небезпечними ділянками не завжди можливо і не завжди гарантує відсутність паразитного каналу.
Рис.4. Конструкція n-канального транзистора з охоронним діодом: l-підкладка р-типу, 2, 7-алюмінієві шини; 3, 6-області витоку і стоку; 4-алюмінієвий затвор; 5 - подзатворного оксид; 8 - контакт витоку з підкладкою, 9 - охоронний діод; 10 - катод захисного діода; 11-товстий оксид.
Рис.5. Охоронні кільця в структурі інвертора з п - і р-ка-нальним транзисторами: l - область формування пара-зітного каналу р-типу; 2 - область формування паразитного каналу п-типу, 3 - n +-області охоронного кільця; 4 - p +-області охоронного кільця.
Ефективним засобом проти виникнення наскрізних паразитних каналів є формування кільцевої каналоогранічівающей р +-області, в якій інверсія провідності внаслідок високого рівня легування поверхні практично неможлива. Для повного виключення можливості формування паразитного каналу на р +-область охоронного кільця можна подати найнижчий потенціал схеми (мал. 5).
Паразитний р-канал може утворитися між р +-областю витоку р-канального транзистора і p-областю, в якій розташований n-канальний транзистор, при негативному потенціалі на алюмінієвому провіднику. Імовірність появи цього каналу тим вище, чим нижче рівень легування n-підкладки. Охоронна кільцева область n +-типу, поєднана з точкою схеми, що має найвищий потенціал (+ U і. П), запобігає появі наскрізного паразитного каналу на цій ділянці схеми.
Застосування охоронних кілець істотно збільшує площа елементів і знижує ступінь інтеграції МДП-мікросхем.
ЛІТЕРАТУРА
1. Ненашев А.П. Конструювання радіоелектронних засобів: Учеб. для радіотехнічних спец. вузів. - Мн.: Вища школа, 2000.
2. Основи конструювання виробів радіоелектроніки: Учеб. посібник / Ж.С. Воробйова, Н.С. Образцов, І.М. Цирельчук та ін - Мн.: БДУІР, 2001