(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) IntCl6: H01L 29/792 ( 5 4 ) Rezystor liniowy MOS przestrajany napięciem zewnętrznym (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 14/93 (73) Uprawniony z patentu: Kordalski Wiesław, Gdańsk, PL Napieralski Andrzej, Aleksandrów, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/96 (72) Twórcy wynalazku: Wiesław Kordalski, Gdańsk, PL Andrzej Napieralski, Aleksandrów, PL PL B1 (57) Rezystor liniowy MOS przestrajany napięciem zewnętrznym, mający odizolowaną od powierzchni półprzewodnika elektrodę zwaną bramką oraz źródło i dren, znamienny tym, że odźródłowa strona drenu (1) jest wyprofilowana w taki sposób, że w miarę oddalania się w głąb półprzewodnika (5) od jego powierzchni będącej w kontakcie z izolatorem (3) bramki, odległość pomiędzy obszarem drenu (1) a źródłem (2) zmniejsza się. FIG. 1

2 Rezystor liniowy MOS przestrajany napięciem zewnętrznym Zastrzeżenie patentowe Rezystor liniowy MOS przestrajany napięciem zewnętrznym, mający odizolowaną od powierzchni półprzewodnika elektrodę zwaną bramką oraz źródło i dren, znamienny tym, że odźródłowa strona drenu (1) jest wyprofilowana w taki sposób, że w miarę oddalania się w głąb półprzewodnika (5) od jego powierzchni będącej w kontakcie z izolatorem (3) bramki, odległość pomiędzy obszarem drenu (1) a źródłem (2) zmniejsza się. * * * Przedmiotem wynalazku jest rezystor liniowy MOS przestrajany napięciem zewnętrznym, wykorzystujący efekt łagodnego odrywania się kanału. Wynalazek dotyczy techniki i technologii realizacji rezystorów liniowych typu MOS, mających indukowane kanały. Znane są realizacje rezystorów MOS przestrajanych napięciem zewnętrznym, które oparte są na znanych konstrukcjach tranzystorów polowych z izolowaną bramką, opisanych w książce Wiesława Marciniaka p.t."przyrządy półprzewodnikowe typu MIS" - WNT Warszawa r. Użycie w dalszym ciągu tekstu określenia "rezystor liniowy MOS przestrajany napięciem zewnętrznym" jest równoważne określeniu "tranzystor typu MOS o przedłużonym zakresie liniowości charakterystyk prądowo-napięciowych" lub określeniu "tranzystor MOS o profilowanym drenie". Najbardziej istotnymi elementami budowy tranzystora typu MOS z kanałem indukowanym są obszary źródła i drenu wbudowane technologicznie poprzez dyfuzję lub implantację jonów w półprzewodnikowe podłoże o przeciwnym typie przewodnictwa. Między tymi obszarami, na powierzchni półprzewodnika, znajduje się warstwa izolatora, która pokryta jest warstwą przewodzącą, pełniącą rolę elektrody sterującej, zwanej bramką. Jej celem jest zaindukowanie warstwy inwersyjnej w obszarze przypowierzchniowym półprzewodnika, zwanej kanałem. Ze względu na typ przewodnictwa kanału - elektronowe lub dziurowe - rozróżnia się odpowiednio: tranzystory z kanałem typu n i typu p. W tranzystorze polowym z kanałem indukowanym typu n, dodatnie napięcie bramki względem źródła o wartości nie mniejszej niż tak zwane napięcie progowe, wywołuje zaindukowanie się kanału o przewodnictwie typu elektronowego n, przeciwnego w stosunku do typu przewodnictwa podłoża półprzewodnikowego lecz zgodnego z typem przewodnictwa źródła i drenu. Jeśli obszar drenu jest spolaryzowany dodatnio względem źródła, to przez kanał popłynie prąd elektronowy równy prądowi drenu. Wartość prądu drenu, przy ustalonym napięciu dren-źródło, można regulować za pomocą zmian wartości napięcia bramka-źródło, co powoduje tym samym zmianę wartości rezystancji pomiędzy drenem a źródłem. Istotną wadą znanych tranzystorów polowych typu MOS stosowanych jako rezystor MOS przestrajany napięciem zewnętrznym, jest niewielki stosunkowo zakres zmian napięcia dren-źródło, w ramach którego rezystancja pomiędzy drenem a źródłem jest stała, przy ustalonym napięciu bramka-źródło. Tak zrealizowany rezystor jest liniowy jednak tylko w niewielkim zakresie zmian napięcia panującego na jego zaciskach. Rezystor liniowy MOS przestrajany napięciem zewnętrznym, mający odizolowaną od powierzchni półprzewodnika elektrodę zwaną bramką oraz źródło i dren, charakterystyczny tym według wynalazku, że odźródłowa strona obszaru drenu jest wyprofilowana w taki sposób, że w miarę oddalania się w głąb półprzewodnika od jego powierzchni będącej w kontakcie z izolatorem bramki, odległość pomiędzy obszarem drenu a źródłem zmniejsza się. W rozwiązaniu rezystora według wynalazku, typ przewodnictwa obszarów drenu i źródła jest przeciwny w stosunku do typu przewodnictwa podłoża, a kanał może być zarówno typu n - elektronowego, jak i typu p - dziurowego, zależnie od podłoża, natomiast przewodząca elektroda bramki

3 oddzielona jest od powierzchni kanału warstwą izolatora i spolaryzowana jest względem źródła napięciem o wartości bezwzględnej większej niż wartość napięcia progowego i o znaku stosownym do typu przewodnictwa źródła, drenu i kanału. Napięcie obszaru drenu względem źródła ma znak zgodny z napięciem bramki względem źródła, przez co złącze p - n : dren - podłoże spolaryzowane jest zaporowo-wstecznie, natomiast złącze p - n : źródło - podłoże może być spolaryzowane napięciem różnym od zera tylko wtedy, gdy polaryzacja tego napięcia jest zaporowa. Rezystor według wynalazku może być wykonany w podłożu typu n, czemu odpowiada kanał typu p, lub w podłożu typu p, czemu odpowiada kanał typu n, a geometryczny układ i zarys poszczególnych obszarów funkcjonalnych źródła i bramki jest właściwy konkretnej technologii, to jest planarnej, V-MOS, U-MOS i innych podobnych. Korzyści techniczne wynikające z zastosowania rezystora liniowego MOS według wynalazku polegają na tym, że daje on nowe możliwości w projektowaniu i konstrukcji scalonych układów analogowych, filtrów aktywnych, układów adaptacyjnych, przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych. Wynalazek jest szczegółowo opisany na przykładzie jego wykonania i zobrazowany na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat konstrukcyjny rezystora liniowego MOS przestrajanego napięciem, fig. 2 realizację rezystora liniowego wykonanego według technologii U-MOS i fig. 3 jeszcze inne wykonanie rezystora liniowego według technologii V-MOS. Jak pokazano na rysunku rezystor liniowy MOS przestrajany napięciem zewnętrznym ma odizolowaną od powierzchni półprzewodnika elektrodę 4 oraz źródło 2 i dren 1. Odźródłowa strona obszaru drenu 1 jest wyprofilowana w taki sposób, że w miarę oddalania się w głąb półprzewodnika od jego powierzchni będącej w kontakcie z izolatorem 3 bramki, odległość pomiędzy obszarem drenu 1 a źródłem 2 zmniejsza się. Przewodząca elektroda 4 stanowi bramkę tranzystora i oddzielona jest od powierzchni półprzewodnika warstwą izolatora 3. Bramka spolaryzowana jest względem źródła 2 napięciem dodatnim baterii 6, dren 1 spolaryzowany jest również dodatnim napięciem względem źródła 2 za pomocą baterii 7, natomiast zaporową polaryzację złącza źródło-podłoże zapewnia bateria 8. Wytworzone pomiędzy bramką 4 a powierzchnią podłoża półprzewodnikowego 5 pole elektryczne, powoduje zaindukowanie się w przypowierzchniowej części półprzewodnika 5 warstwy inwersyjnej o typie przewodnictwa przeciwnym niż podłoże 5. Pojawienie się warstwy inwersyjnej jest równoznaczne z zaindukowaniem się kanału, dzięki któremu możliwy jest przepływ elektronów od źródła 2 do drenu 1 na skutek pola elektrycznego pochodzącego od napięcia baterii 7. W przypadku gdy wartość napięcia baterii 7 jest mała, prąd kanału płynie głównie przy powierzchni półprzewodnika, natomiast w miarę jak napięcie baterii 7 rośnie, wówczas efekty uwarunkowane dwuwymiarowym rozkładem pola elektrycznego w przypowierzchniowej części półprzewodnika 5 intensyfikują się, w rezultacie czego zachodzi zjawisko łagodnego odrywania się kanału, w wyniku którego strumień elektronów płynących pomiędzy źródłem 2 a drenem 1 ma naturę dwuwymiarową. W efekcie końcowym coraz to większa część tego strumienia dociera do głębiej i jednocześnie bliżej źródła położonych obszarów drenu. Tak więc nieliniowy spadek ruchliwości elektronów uwarunkowany wzrostem pola elektrycznego pochodzącego od baterii 7, kompensowany jest nieliniowym zmniejszaniem się drogi dla coraz to większej części elektronów - długości kanału, w wyniku czego rezystancja pomiędzy drenem 1 a źródłem 2 pozostaje stała, co oznacza, że zakres napięcia dren-źródło 7, dla którego charakterystyki wyjściowe prąd drenu - napięcie drenu są liniowe, zwiększa się w stosunku do analogicznej charakterystyki znanych tranzystorów polowych z izolowaną bramką. Bateria 8 wpływa przede wszystkim na napięcie progowe tranzystora polowego, a także odziaływuje na zjawisko łagodnego odrywania się kanału. Poprzez odpowiednie wyprofilowanie od strony źródła 2 obszaru drenu 1 można uzyskać większy zakres liniowości rezystora MOS, jak również przestrajać za pomocą napięcia baterii 6 wartość rezystancji pomiędzy drenem 1 a źródłem 2. W przypadku konstrukcji tranzystora typu MOS o profilowanym drenie z kanałem typu p, należy w stosunku do konstrukcji przedstawionej na przykładzie i zobrazowanej na rysunku dokonać następujących modyfikacji: zmienić typ przewodnictwa wszystkich obszarów półprzewodnikowych 1, 2 i 5 na przeciwny oraz zmienić polaryzację wszystkich baterii 6, 7 i 8 na przeciwną.

4 FIG. 2

5 FIG. 3

6 FIG. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł