Краткие теоретические сведения

МДП–структура представляет собой контакт, образованный тремя слоями: ме­талла, диэлектрика и полупроводника. Наиболее распространена структура с кремнием (Si) p- или n- типа в качестве полупроводника и с двуокисью кремния (SiO₂) в качестве диэлектрика. Структура с кремнием р- типа более распространена, поскольку в канале n- типа ток определяется дрейфом свободных электронов, обладающих более высокой подвижностью (рис. 1).

 

 

Оба эти материала отличаются высокими электрофизическими характеристика­ми, механической и химической прочностью, хорошей совместимостью с технологией изготовления интегральных схем. При добавлении двух электродов – истока и стока, МДП–структура превращается в наиболее распространённый на сегодняшний день тип транзистора – МДП–транзистор (рис. 1, б). В дальнейшем будут рассматриваться МДП–структура и транзистор на основе р-кремния.

Основное свойство МДП–структуры заключается в возможности управления свойствами полупроводника электрическим полем металлического слоя - затвора (полевой эффект). Для этого диэлектрический слой должен иметь достаточно малую толщину d. Утолщениедиэлектрика приводит к ослаблению  электрического поля в подзатворной области. Сегодня уже существуют МДП–транзисторы с d равной нескольким межатомным расстояниям, для питания и управления которыми достаточны напряжения 1...2 В. Именно такие МДП–транзисторы образуют основу цифровых процессоров современных ком­пьютеров.

При подаче на затвор структуры вида рис. 1,а отрицательного напряжения электрическое поле затвора втягивает в подзатворную область дополнительные дырки из более глубоких слоев полупроводника. Подзатворная область обогащается основными носителями (режим обогащения). При подаче положительного напряжения, напротив, дырки вытесняются из подзатворной области (режим обеднения). При достаточно сильном положительном поле концентрация дырок и электронов сравниваются, полу­проводник в подзатворной области становится собственным. Такое состояние называ­ют пороговым, напряжение на затворе — пороговым напряжением U₀. При напряжении на затворе U₃ > U₀ концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок, т.е. полупроводник в подзатворной области приобретает свойства n-полупроводника (режим инверсии). В МДП–транзисторе появляется так называемый канал – полоска полупроводника n-типа, соединяющая внутренние контакты стока и истока (островки кремния n⁺- типа, рис. 1, б). Если подано напряжение U_си, в канале МДП–транзистора протекает ток. В отсутствие канала тока между истоком и стоком нет. Такой транзистор называется МДП-транзистором с индуцированным (появляющимся) каналом n- типа.

Пороговое напряжение U₀ является важнейшим параметром МДП–структуры. От его величины, в частности, зависит то минимальное напряжение источника питания МДП ИС при котором, с одной стороны, минимизируется потребляемая мощность, а с другой стороны обеспечивается надёжное отпирание транзисторных ключей.

Идеализированная МДП–структура характеризуется пороговым напряжением

,                 (1)

где C₀ – удельная емкость МДП–структуры,

                                     (2)

В выражениях (1) и (2):

 – контактная разность потенциалов металл – полупроводник;

d – толщина диэлектрика;

q – элементарный электрический заряд;

 – абсолютная электрическая постоянная;

 – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика;

N – концентрация примеси в полупроводнике.

Зная удельную ёмкость, можно оценить важнейший параметр МДП– транзистора – ёмкость затвор-канал

 

,                             (3)

где W – ширина канала МДП–транзистора; L – длина канала.

Более точное значение U₀ находится с учётом поверхностного потенциала, ко­торый зависит от дефектов кристаллической решётки поверхности полупроводника, наличия посторонних примесей и других трудно прогнозируемых факторов. Поэтому фактические величины U₀ могут сильно отличаться от найденных по (1) и параметры транзисторов сильно отклоняются от ожидаемых. Современная технология позволяет ослабить влияние указанных факторов. В настоящей работе поверхностный потенциал полагается равным нулю.

Другой важнейшей характеристикой МДП–структуры является удельная крутизна B, определяющая степень влияния U_З на состояние канала и ток МДП–тран­зистора. Чем больше B, тем при меньшем изменении U_З управляется транзистор (в ключе – замыкается и размыкается). Ток стока I_c  определяется выражениями, в зави­симости от режима,

 

                  (4)

или

 

В обоих случаях степень влияния U_З на I_C определяет удельная крутизна

,                                       (5)

 

где – коэффициент подвижности носителей в канале.

Анализируя (1) – (5), можно прийти к следующим выводам:

1. Уменьшение U₀ и увеличение B, т.е. улучшение управляемости МДП–структуры достигается, прежде всего, уменьшением толщины диэлектрического слоя. Естественным ограничением при этом является уменьшение его электрической прочности и рост тока утечки между затвором и каналом.

2. Увеличение B достигается уменьшением длины канала, что ограничено раз­решающей способностью интегральной технологии (порядка нескольких нанометров в 2015 г.).

3. Увеличение B достигается использованием полупроводников с большим коэффициентом подвижности. Поэтому кремниевые n-канальные МДП–транзисторы предпочтительнее p-канальных, а ещё лучшие результаты обеспечивает применение арсенида галлия, отличающегося наиболее высокой подвижностью свободных электронов.

Заряд и разряд ёмкости затвор – канал МДП–транзистора является главным фактором инерционности. Из (1) и (5) следует, что не в ущерб U₀ и B быстродействие МДП–транзистора можно улучшить, только уменьшив площадь канала . Именно поэтому успехи в увеличении быстродействия цифровой электроники связаны, в основном, с уменьшением размеров транзисторов.

Имеются сообщения о разработке МДП–транзисторов с размерами порядка десяти нанометров и менее и с толщиной диэлектрического слоя в несколько межатомных расстояний (компания Intel). Такие транзисторы позволяют построить процессор для ком­пьютера с тактовой частотой до нескольких десятков ГГц и количеством транзисторов на кристалле 10⁶ и более.