Приборы с зарядовой связью
Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рисунке 6.19 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП‑структур. Величина зазора между соседними МДП‑структурами невелика и составляет 1‑2 мкм. ПЗС‑элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому.

Рис. 6.19. Устройство и принцип работы приборов с зарядовой связью
Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения V G1 на затвор 1‑го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полупроводнике р ‑типа это соответствует формированию под затвором 1‑го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времени t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов τ ген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС‑элементах должны проходить за времена меньше τ ген. Пусть в момент времени t 1 >> τ ген в ОПЗ под затвор 1‑го элемента инжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов (рис. 6.19б). Теперь в момент времени t 2 > t 1, но t 2 << τ ген на затвор 2‑го ПЗС‑элемента подадим напряжение V G2 > V G1, способствующее формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2‑го элемента. Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1‑м элементом в ОПЗ под вторым элементом, как показано на рисунке 6.19в. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2‑го ПЗС‑элемента, напряжение на затворе V G1 снимается, а на затворе V G2 уменьшается до значения, равного V G1 (см. рис. 6.19г). Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС‑элемента. Для того, чтобы приборы с зарядовой связью эффективно функционировали, необходимо, чтобы время передачи t пер от одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (t пер << τген). Не должно быть потерь информационного заряда в ОПЗ вследствие захвата на поверхностные состояния, в связи с чем требуются МДП‑структуры с низкой плотностью поверхностных состояний (N ss ≈ 1010 см-2·эВ-1) [21, 13, 11, 26].
6.16. Полевой транзистор с затвором в виде р‑n перехода
Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р‑n перехода. На рисунке 6.20 показана одна из возможных топологий такого транзистора. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема, заключенная между обедненными областями р‑n переходов – каналом, а сильно легированные n + области сверху и снизу – затвором полевого транзистора. Конструктивно ПТ с затвором в виде р‑n перехода может быть выполнен с использованием планарной технологии и в различных других вариантах.
При приложении напряжения V GS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение р‑n перехода (V GS > 0), происходит расширение обедненной области р‑n перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (N D >> N A). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток‑сток V DS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения V DS необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р‑n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению V GS. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р‑n перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Рис. 6.20. Схематическое изображение полевого транзистора с затвором в виде р‑n перехода
Получим вольт‑амперную характеристику транзистора. Здесь, как и ранее, ось у направим вдоль канала, ось х – по ширине канала, ось z – по глубине канала. Обозначим длину, ширину и высоту канала при отсутствии напряжения на транзисторе как L, W, Н (V GS = V DS = 0).
При приложении напряжения к затвору V GS > 0 и стоку V DS < 0 произойдет расширение обедненной области р‑n перехода на величину Δ l об, равную:
. (6.88)
Поскольку напряжение исток‑сток V DS распределено вдоль канала V DS(у), то изменение ширины канала транзистора будет различно по длине канала. При этом высота канала h (y) будет равна:
. (6.89)
Введем напряжение смыкания V G0 – напряжение на затворе, когда в квазиравновесных условиях (V DS = 0) обедненные области р‑n переходов смыкаются: h (y) = 0.
Тогда из (6.89) следует, что
. (6.90)
Соотношение (6.89) с учетом (6.90) можно переписать в виде:
. (6.91)
Выделим на длине канала участок от у до у+dy, сопротивление которого будет dR (y). При токе канала I DS на элементе dy будет падение напряжения dV DS(y), равное:
. (6.92)
Величина сопротивления dR (y) будет равна:
. (6.93)
Подставим (6.92) в (6.93) и проведем интегрирование по длине канала:
. (6.94)
Поскольку удельное объемное сопротивление ρ равно , преобразуем величину :
. (6.95)
Здесь – заряд свободных дырок в канале на единицу площади.
Подставляя (6.95) в (6.94) и проведя интегрирование, получаем следующую зависимость тока стока I DS от напряжения на затворе V G и стоке V DS для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода:
. (6.96)
При малых значениях напряжения исток‑сток в области плавного канала V DS << V G ток I DS равен:
. (6.97)
Если сравнить соотношение (6.97) с выражением (6.10) для тока стока МДП полевого транзистора в области плавного канала, то видно, что эти выражения совпадают при малых значениях напряжения V DS.
Из (6.91) следует, что при напряжениях V G < V G0 всегда можно найти такое напряжение на стоке V DS, когда вблизи стока произойдет смыкание канала: h (y = L, V G, V DS) = 0.
Аналогично процессам в МДП ПТ это явление называется отсечкой. Из (6.91) следует, что напряжение отсечки V DS* будет равно:
. (6.98)
Также заметим, что выражение (6.98) аналогично соотношению (6.11) для напряжения отсечки МОП ПТ, а напряжение смыкания V G0 имеет аналогом величину порогового напряжения V Т.
По мере роста напряжения исток‑сток V DS точка отсечки перемещается от истока к стоку. При этом аналогично МДП ПТ наблюдаются независимость тока стока от напряжения на стоке и эффект модуляции длины канала. Подставляя (6.98) в (6.96), получаем зависимость тока стока I DS в области отсечки для полевого транзистора с затвором в виде р‑n перехода:
. (6.99)
В области отсечки выражение (6.99) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида:
. (6.100)
На рисунке 6.21а, б показаны вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде р‑n перехода. Их отличительной особенностью является то, что при напряжении на затворе V G = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.

Рис. 6.21. Характеристики транзистора КП302Б:
а) выходные характеристики; б) начальные участки выходных характеристик
Быстродействие ПТ с затвором в виде р‑n переходов обусловлено зарядкой барьерных емкостей С G затворных р‑n переходов через сопротивление канала R K. Величина времени заряда . Емкость затвора С G и сопротивление канала R K равны:
; (6.101)
. (6.102)
Выражение (6.102) имеет минимальное значение при ширине обедненной области , при этом граничная частота
. (6.103)
При значениях H = L для кремния (ε s = 11,8) с удельным сопротивлением ρ, равным ρ = 1 Ом·см, граничная частота будет составлять величину несколько гигагерц.
6.17. Микроминиатюризация МДП‑приборов
Полевые приборы со структурой металл – диэлектрик – полупроводник в силу универсальности характеристик нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС). Одна из основных задач микроэлектроники заключается в повышении степени интеграции и быстродействия интегральных схем. Для ИС на МДП‑приборах благодаря чрезвычайно гибкой технологии их изготовления эта задача решается несколькими путями. В основе одного из подходов лежит принцип двойной диффузии. Эта технология получила название Д‑МОП технологии, когда структура имеет планарный характер, и V‑МОП технологии, когда структура транзистора имеет вертикальный характер. Другой подход связан с пропорциональной микроминиатюризацией обычного планарного МДП‑транзистора и получил название высококачественной, или N‑МОП, технологии.
Таблица 3. Эволюция размеров и параметров МДП‑приборов
Параметры прибора (схемы)
| n-МОП с обогащенной
нагрузкой, 1972
| МОП, 1980
|
|
| Коэффициент
изменения
| Длина канала L, мкм
|
|
| 1-0,6
| 0,13
| N -1
| Поперечная диффузия L D, мкм
| 1,4
| 0,4
|
|
| N -1
| Глубина p-n переходов x B, мкм
| 2,0
| 0,8
|
| 0,07-0,13
| N -1
| Толщина затворного окисла d ox, нм
|
|
|
|
| N -1
| Напряжение питания V пит, В
| 4-15
| 2-4
|
|
| N -1
| Минимальная задержка вентиля , нс
| 12-15
| 0,5
|
|
| N -1
| Мощность на вентиль Р, мВт
| 1,5
| 0,4
|
|
| N -2
| Количество транзисторов в процессоре Intel
| 2,5 тыс
| 80 тыс
| 1,2 млн
| 42 млн
| N -2
|
Согласно основным положениям модели пропорциональной микроминиатюризации при уменьшении длины канала в N раз для сохранения тех же характеристик транзистора другие его параметры (толщина окисла, ширина канала, напряжение питания) необходимо уменьшить в N раз, а концентрацию легирующей примеси в подложке увеличить в N раз. Действительно, при таком изменении, как следует из (6.8), величина порогового напряжения V T и величина проводимости канала практически не изменяются. Быстродействие, определяемое временем пролета носителей через канал, согласно (6.31) возрастет в N раз, ток канала уменьшится в N раз, рассеиваемая мощность уменьшится в N2 раз. В таблице 3 приведена динамика изменения основных параметров МДП‑приборов, проявляющаяся при пропорциональной микроминиатюризации.
Идеи и принципы пропорциональной микроминиатюризации позволяют использовать масштабирование МДП‑транзисторов при разработке интегральных схем на их основе. Такой подход позволил фирме Intel модернизировать процессоры персональных компьютеров каждые три-четыре года. В таблице 4 приведены этапы пропорциональной микроминиатюризации процессоров Intel за последние тридцать лет.
Таблица 4. Микроминиатюризация процессоров Intel
Модель
| Год
выпуска
| Транзисторы
| Тех. процесс
| Тактовая
частота
|
|
| 2 250
| 10 мкм
| 108 КГц
|
|
| 2 500
| 10 мкм
| 200 КГц
|
|
| 5 000
| 6 мкм
| 2 МГц
|
|
| 29 000
| 3 мкм
| 5-10 МГц
|
|
| 120 000
| 1,5 мкм
| 6-12,5 МГц
|
|
| 275 000
| 1,5-1 мкм
| 16-33 МГц
| 486DX
|
| 1 180 000
| 1-0,6 мкм
| 25-100 МГц
| Pentium
|
| 3 100 000
| 0,8-0,35 мкм
| 60-200 МГц
| Pentium II
|
| 7 500 000
| 0,35-0,25 мкм
| 233-450 МГц
| Pentium III
|
| 24 000 000
| 0,25-0,13 мкм
| 450-1300 МГц
| Pentium 4
|
| 42 000 000
| 0,18-0,13 мкм
| >1400 МГц
|
На рисунке 6.22 показана в полулогарифмическом масштабе эволюция размеров МДП‑транзистора и длины его канала. Обращает внимание на себя тот факт, что принципы пропорциональной микроминиатюризации позволили вплотную придвинуться к размерам базового элемента интегральных схем, ниже которых находится предел, обусловленный физическими ограничениями [31].
Опыт разработки МДП‑транзисторов с длинами канала 0,25-0,1 мкм показывает, что в таких приборах резко нарастает количество новых физических явлений, в том числе и квантовых. Принцип пропорциональной микроминиатюризации при этих значениях линейных размеров уже перестает работать.

Рис. 6.22. Уменьшение размеров транзистора
Date: 2015-05-05; view: 768; Нарушение авторских прав Понравилась страница? Лайкни для друзей: |
|
|