Пороговое напряжение МДПТ и влияние потенциала подложки

Отметим, что при обратно смещенном р-п переходе исток—подложка (V_hs < 0) даже при нулевом напряжении стокисток (V_ds =0) МДПТ не является равновесной системой, так как через переходы исток—подложка, сток—подложка и канал—подложка протекают (хотя и малые) обратные токи. В результате уровень Ферми F расщепляется на квазиуровни Ферми для электронов F_n и дырок F , расстояние между которыми определяется напряжением между подложкой и каналом, равным при V_ds — 0 напряжению V_hs:

На рис. III.2.6 представлены энергетические диаграммы и-каналыюго МДПТ в сечении 0<�у<�Ь (см. рис. III.2.4) для случая, когда напряжение сток—исток равно нулю, а напряжение затвор—исток равно пороговому напряжению транзистора: V =V_r Рисунок III.2.6, а соответствует нулевому напряжению подложка—исток (V_bs = 0), а рис. III.2.6, б — закрытому переходу подложка—исток (V_hs < 0). Диаграмма на рис. Ш. 2.6, а в точности соответствует рис. III. 1.6 для МД П-структуры. Поверхностный потенциал при пороговом напряжении, как и для МДП-структуры, составляет.

поэтому при V_hs = 0 пороговая ширина ОПЗ под затвором п пороговое напряжение МДПТ определяются теми же соотношениями (III.1.7), (III.1.19а, б) и (III.1.23), что и для МД Пструктуры.

где

По определению порогового напряжения при V = V, выполнены равенства «(()) = N_п и /ДО) — F_n(0) = е (р_й. Рисунок Ш. 2.6, б показывает, что при V =V_t и V_bs<0 поверхностный потенциал возрастает до значения.

Поэтому в соотношениях (Ш.2.4)—(Ш.2.6), определяющих пороговую ширину ОПЗ и пороговое напряжение, следует сделать замену: 2ф,₍ —"2ф_й — V_hs. При этом вместо (Ш.2.4) — (Ш.2.6) для «-канального МДПТ получаем.

Рис. III.2.6. Энергетические диаграммы и-канального МДПТ при V = V" V_ds = 0:

a-V_hs = Q-6-V_b

где

Сравнение соотношений (III.2.7)—(III.2.9) и (III.2.4) — (III.2.6) показывает, что

где

— коэффициент подложки, зависящий от свойств подложки (N_B) и свойств диэлектрика (С_5С). В/г-канальных транзисторах при увеличении запирающего напряжения V_bs пороговое напряжение возрастает, вр-канатьных — снижается. Во всех случаях запирающее напряжение V_bs снижает ток стока при заданных напряжениях V_gs и V_(js.

В технической литературе потенциал истока часто принимается за 0 (заземленный исток). При этом полученный результат можно сформулировать как зависимость порогового напряжения от потенциала подложки (точнее, от напряжения подложка—исток).

Физическая причина эффекта влияния подложки состоит в том, что подложка влияет на поверхностную концентрацию носителей заряда в канале (и, следовательно, на проводимость канала) так же, только в меньшей степени, как затвор. Действие потенциала подложки поясняется рис. Ш. 2.7. Затвор воздействует на канат через емкость затвор—канат с удельным значением C_sG = а подложка — через емкость подложка;

канал, удельное значение которой при V_bs = 0 составляет.

Учитывая, что ширина ОПЗ /,₀ определяется соотношением (III.2.4), находим, что отношение.

пропорционально коэффициенту подложки. Таким образом, коэффициент подложки характеризует относительную степень влияния подложки на проводимость канала. Это.

Рис. III.2.7. Влияние потенциала подложки на проводимость канала влияние обычно является вредным фактором, так как в ИС транзисторы на общей подложке могут иметь различные потенциалы истоков и, следовательно, различные характеристики. Коэффициент подложки уменьшается при уменьшении толщины диэлектрика (возрастает С_с) и при уменьшении концентрации примеси в подложке (увеличивается ширина ОПЗ и снижается С_в).

Отметим, что пороговое напряжение является параметром транзистора, т. е. числом, которое определяется (и измеряется) при V_ds = 0. При V_Js > 0 точки канала, находящиеся на различном расстоянии от истока, имеют различные потенциалы и локальное пороговое напряжение внутри прибора зависит от координаты у (см. рис. Ш. 2.4). Это обстоятельство существенно усложняет формулы для ВЛХ МДПТ.

Пороговое напряжение является одним из важнейших параметров МД1 IT, от воспроизводимости которого зависит возможность реализации различных схемотехнических решений в ИМС, а также величина напряжения питания. Поэтому необходимо располагать способами регулировки порогового напряжения в процессе изготовления ИС. Из соотношений (III.2.4)—(111.2.6) следует, что величина V_lU зависит от контактной разности потенциалов металл—собственный полупроводник cp_GBj, концентрации примеси в подложке N_B, а также от толщины d и диэлектрической проницаемости z_d подзатворного диэлектрика (параметр C_sG) и эффективной плотности поверхностных состояний N_aej.

Таблица III. 1.1 показывает, что подбор металла затвора позволяет варьировать пороговое напряжение в диапазоне около одного вольта, однако в ИМС выбор материала затвора ограничен технологическими соображениями. Использование поликремниевого затвора позволяет изменять пороговое напряжение на величину, соответствующую ширине запрещенной зоны (1,12 В) в зависимости от типа проводимости. Заметим, что поликремний я⁺-типа является единственным материалом, позволяющим получить отрицательное значение.

CJK.

Выбор диэлектрика также в значительной степени определяется технологическими возможностями. Наиболее часто применяется собственный термический оксид SiO" имеющий диэлектрическую проницаемость е^~3,9. Высокой диэлектрической проницаемостью обладает нитрид кремния SLN₄ (?,/=7,5). Величина удельной емкости диэлектрика C_sG определяет степень проявления эффекта поля, который лежит в основе действия МДП-транзистора. Поэтому регулировка порогового напряжения за счет изменения C_sG вряд ли целесообразна. Возможности регулировки порогового напряжения за счет вариации концентрации примеси в подложке N_B также ограничены. При N_B < 10¹⁵ см^-3 свойства полупроводника чувствительны к влиянию температуры, а также существенно возрастают обратные токи через р-п переходы. При N_B > 10¹⁷ см ³ значительно увеличивается коэффициент подложки. Вариация концентрации примеси N_B в указанном диапазоне меняет значение V_f0 на = 0,06 В за счет изменения величины <�р_д на 0,36−0,6 В.

Значительно больший эффект дает поверхностное легирование подзатворной области подложки (см. параграф III. 1.6). Доза легирования тонкого поверхностного слоя AD_B = 10¹²см ² обеспечивает изменение порогового напряжения на величину 2−3 В.

В заключение заметим, что высокая воспроизводимость порогового напряжения требует возможно большего снижения плотности поверхностных состояний N^. Достаточно сказать, что идея создания МДПТ, высказанная Шокли в 1948 г. [2], долгое время не могла быть реализована только из-за отсутствия надежных способов подготовки поверхности полупроводника перед нанесением диэлектрика. При достижимом в то время значении N_ss =5−10¹² см^-2 и толщине диэлектрика d = 1 мкм вклад слагаемого Q_ss / С_sG = eN_ss / C_sG в значение порогового напряжения составляет = 100 В. Учитывая низкую воспроизводимость величины N^, легко понять, что производство МДПТ в таких условиях было невозможным.

Основные выводы

• 1. Принцип действия МДП-транзистора основан на модуляции электрического сопротивления инверсионного приповерхностного слоя полупроводника (канала) напряжением затвор—исток.
• 2. На выходных ВАХ МДПТ можно выделить область отсечки, крутую область и пологую область. В пологой области ВАХ ток стока почти не зависит от напряжения сток—исток, что объясняется перекрытием канала на границе со стоком.
• 3. Пороговое напряжение МДПТ зависит от напряжения подложка-исток и определяется соотношением (Ш.2.10). Степень влияния потенциала подложки характеризуется коэффициентом подложки К_в, который определяется соотношением (III.2.11).
• 4. Эффективными способами регулировки порогового напряжения являются применение поликремниевого затвора п- или р' -типов, а также поверхностное легирование подзатворной области подложки.