TRANZYSTORY MIS WYKŁA 14 SMK Na pdstw. W. Marciniak, WNT 1987: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone 1. Tranzystory MIS Należą do rodziny tranzystorów z izolowaną bramką (IGFET), w których przewodność kanału półprzewodnikowego sterowana jest poprzecznym polem elektrycznym, działającym przez warstwę dielektryka, izolującą kanał od bramki. Element zasadniczy struktura MIS, której podstawową charakterystyką jest zależność pojemności od napięcia polaryzacji. e). Budowa i zasada działania tranzystora MIS opis jakościowy W płytce monokrystalicznej krzemu typu n o rezystywności 0.01...0.1 m wytwarza się poprzez dyfuzję lub implantacje lokalną dwa obszary silnie domieszkowane o typie p + z koncentracją domieszek 10 24-10 26 m -3. Jeden źródło, drugi dren oba pokryte metalowymi warstwami kontaktowymi, odległe są od siebie o kilka - kilkadziesiąt m. Powierzchnia pp między źródłem i drenem pokryta jest warstwą dielektryka (SiO 2, d=50-150 m). Elektroda na powierzchni dielektryka bramka. Elektrody: S-źródło, G-bramka, -dren, B-baza. Obwód prądu przepływającego od źródła do drenu zamyka się przez obszar przypowierzchniowy pp leżący pod warstwą dielektryka. Od jego konduktancji zależy wartość prądu źródło-dren. W zależności od polaryzacji bramki (kontaktowej różnicy potencjałów, ładunku w dielektryku, stanów powierzchniowych) w pp tworzy się pod bramką warstwa akumulacyjna (dużo elektronów, mało dziur), zubożona (mało elektronów, mało dziur) lub inwersyjna (mało elektronów, dużo dziur). - w przypadku akumulacji lub zubożenia droga od źródła do drenu odpowiada dwóm złączom p + -n włączonym szeregowo przeciwstawnie prąd źródło-dren ma znikomą wartość (niezależnie od polaryzacji dren-źródło) prąd wsteczny jednego ze złączy - w przypadku inwersji obszary p + źródła i drenu połączone są warstwą inwersyjną o tym samym typie przewodnictwa (dużo dziur, mało elektronów). Istnienie kanału typu p umożliwia przepływ dużego prądu dziurowego między źródłem i drenem. Zmiany napięcia bramki modulują konduktancję kanału sterując wartością prądu źródło-dren. - klasyfikacja tranzystorów ze względu na typ przewodnictwa: = tranzystor MIS z kanałem typu p (na podłożu n) przewodnictwo dziurowe, = tranzystor MIS z kanałem typu n (na podłożu typu p) przewodnictwo elektronowe, - klasyfikacja ze względu na różnicę w zjawiskach fizycznych 1
= z kanałem zaindukowanym (w postaci warstwy inwersyjnej) - tranzystor typu I = z kanałem wbudowanym (warstwa domieszkowana o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże) tranzystor typu W W stanie neutralnym nie ma różnic między tranzystorami (kanał w tranzystorze W jest obojętny, w tranzystorze I naładowany ujemnie. la ujemnej polaryzacji bramki elektrony odpychane są w głąb pp w tranzystorze W powstaje warstwa zubożona, w tranzystorze I maleje ładunek elektronów w kanale. Kanał w tranzystorze W odsuwa się od powierzchni (PNFET), w tranzystorze I pozostaje przy powierzchni, stąd działanie tranzystora I zależy od zjawisk przypowierzchniowych. - klasyfikacja tranzystorów ze względu na kryteria układowe (różnice w przebiegu podstawowych charakterystyk) = tranzystor z kanałem zubożanym = tranzystor włączony normalnie ( W, I ) = tranzystor z kanałem wzbogaconym tranzystor normalnie wyłączony kanał tylko indukowany W tranzystorach z kanałem zubożanym możliwa jest też praca ze wzbogaceniem. Szczegółowe rozważania przeprowadzimy dla tranzystora z kanałem wzbogaconym typu p. Interesuje nas charakterystyka: - przejściowa I (U ) U S =const, - wyjściowa I (U S ) U =const, należy również uwzględnić wpływ polaryzacji podłoża (U BS 0). 2
- Charakterystyka przejściowa napięcie progowe Zmieniając napięcie U od wartości dodatnich do dużych wartości ujemnych otrzymujemy stan akumulacji, zubożenia lub inwersji. la przypadku inwersji pod bramką: Wartość napięcia U, przy której potencjał powierzchniowy s=2 F napięcie progowe U T (threshold voltage). Wzrost napięcia ujemnego, U powyżej U T odpowiada wzrostowi wartości potencjału powierzchniowego s powyżej 2 F, co zapoczątkowuje powstanie kanału typu p łączącego obszary p + źródła i drenu. Napięcie progowe = najmniejsza wartość napięcia bramki niezbędna do wytworzenia ładunku bramki Q G kompensującego ładunek, Q sr oraz ładunek domieszek zjonizowanych w pp Q B (ładunek podłoża). owolny przyrost napięcia U ponad U T tworzy dodatkowy ładunek bramki, który jest kompensowany ładunkiem nośników mniejszościowych (dziur) w powstającym kanale. Małe przyrosty potencjału powierzchniowego powodują duże przyrosty ładunku kanału cały przyrost napięcia U powyżej U T odkłada się na dielektryku. Ładunek kanału: Q C ( U U ); C C ZL. Prąd drenu liniowo zależy od napięcia U. C g - Charakterystyka wyjściowa T g i Jeśli napięcie drenu U S jest małe w porównaniu do napięcia bramki U to kanał spełnia funkcję rezystora liniowego łączącego źródło z drenem (rys. 6.26a). W miarę wzrostu ujemnej wartości U S zwiększa się wartość prądu I i na rezystancji kanału odkłada się znaczny spadek napięcia. Grubość kanału maleje, naruszona zostaje liniowa zależność prądu I = f(u S ). alszy wzrost napięcia U S prowadzi do całkowitego zniesienia inwersji w części kanału sąsiadującej z drenem stan odcięcia kanału. Wartość napięcia, której odpowiada zanik inwersji w punkcie Y=L napięcie nasycenia U sat ; U sat =U -U T. la zakresu napięć U S U sat prąd drenu osiąga wartość stałą. alszy wzrost napięcia U przesuwa punkt odcięcia w stronę źródła. W punkcie Y nośniki wstrzykiwane są do obszaru zubożonego. 3
a) U =U FB = i U FB = ms -Q sr /C i b). U =U T = i +2 F U T =f ms -Q sr /C i +2 F -Q B /C i Q B =(2 s qn 2 F ) 1/2 c). U > U T Q C C ( U U ); C g T g C ZL i 4
- Wpływ napięcia podłoża Spolaryzowanie podłoża w stosunku do źródła powoduje modulację konduktancji kanału. Podłoże może być, więc drugą bramką w tranzystorze MIS złącze n-p + ze źródłem i n-p z kanałem. Jeśli to złącze spolaryzuje się zaporowo, to jego warstwa zaporowa rozszerza się w głąb pp (do podłoża i do kanału). Zmniejsza to ładunek nośników w warstwie inwersyjnej zmniejszając grubość kanału tym samym podnosząc jego rezystancję. Przy stałych napięciach U i U S maleje prąd drenu, rośnie napięcie progowe. Wpływ polaryzacji elektrody podłoża jest tym mniejszy im większa jest rezystywność podłoża. e). Charakterystyki i parametry statyczne analiza ilościowa - zakres nienasycenia (0 U S U sat ) 2 2 I [( U U ) U U / 2], C / L (analiza ładunkowa: I =Q c / p ) T S ds n g - zakres nasycenia (U S =U sat =(U -U T ) U sat ) 2 I ( U U ) / 2 f ( U ) - tak jak dla PNFET ze szpilkowym rozkładem konc. dom. T S 5
Efekt skracania kanału powoduje, że w zakresie nasycenia prąd drenu nieznacznie zmienia się - Charakterystyki i oznaczenia czterech rodzajów tranzystora MIS 6
U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa, 1996 Symbole graficzne określono w oparciu o następujące zasady: - w tranzystorach z kanałem wzbogaconym przy zerowym napięciu bramki I ~0, dlatego odcinek między źródłem i drenem rysuje się linią przerywaną; w tranzystorach z kanałem zubożanym przy U =0 przepływa prąd w kanale; odcinek źródło-dren rysuje się linią ciągłą, - bramka tranzystora odizolowana jest od kanału, dlatego przedstawia się ją w postaci symbolu kąta prostego, którego jedno ramię jest równoległe do kanału, punkt zaś łączący oba ramiona symbolu (wierzchołek) skierowany jest ku elektrodzie źródła, - podłoże z kanałem stanowią złącze p-n, przedstawia się je w postaci linii prostopadłej do kanału ze strzałką od P do N. - Parametry statyczne = Napięcie progowe U T (w katalogach U (th) ) taka wartość napięcia U, przy której prąd drenu osiąga określoną wartość (np. 1 A, U S =const); U (TO) tranzystor z kanałem wzbogacanym, U (off) tranzystor z kanałem zubożanym, = BU S napięcie przebicia między bramką a podłożem przy zwartych elektrodach drenu i źródła, mierzone przy określonej wartości prądu I G, = BU SS - napięcie przebicia między drenem a źródłem przy zwartych elektrodach bramki i źródła (U =0) przebicie lawinowe lub skrośne, = I SS prąd nasycenia tranzystora, gdy elektrody bramki i źródła są zwarte (U =0) oraz przy określonym napięciu U S. W tranzystorach z kanałem zubożanym, I SS mierzy się w zakresie nasycenia charakterystyki I (U S ); w tranzystorach z kanałem wzbogacanym jest to prąd wsteczny złącza dren-podłoże, = I S prąd upływu bramki w przypadku zwartych elektrod źródła i drenu (U S =0) oraz dla określonego napięcia U (50..80% BU S ), 7
= r S(ON) rezystancja statyczna między drenem a źródłem w warunkach wyłączonego kanału (dla U < U (th) ) w przypadku tranzystora z kanałem wzbogaconym i U > U (off) w przypadku tranzystora z kanałem zubożanym. - Modele statyczne I Ss prąd drenu przy źródle zwartym z podłożem, I Ss prąd źródła przy drenie zwartym z podłożem; R, R G upływności bramka-źródło i bramka-dren, 1, 2 złącza p+-n między źródłem a podłożem oraz między źródłem a drenem, r S, r, r B rezystancje szeregowe źródła, drenu i podłoża. f). Praca dynamiczna nieliniowa Model dynamiczny otrzymuje się przez dołączenie do modelu statycznego pojemności międzyelektrodowych. - Model tranzystora idealnego = zmiany ładunku Q G, Q C, Q B quasi-równowagowe, Q=f(U) = szybkie zmiany napięć polaryzacji powodują przepływ prądów przesunięcia pomiędzy poszczególnymi parami elektrod, pojawia się pięć pojemności (C gsi, C gdi, C bsi, C bdi, C gbi ) 8
Q Q Cgsi, U przesunięcia: du ig Cgsi dt Q G G C, Cgdi Cgbi, chwilowe prądy bramki i podłoża są prądami U G U GB i s I C gsi C du dt dug dugb Cgbi ; ib C dt dt dug ; i I Cgdi ; ig ib dt gdi gbi i du dt GB i s Na rys. 6.33a pokazano wykresy pojemności bramki i jej składowych w funkcji napięcia U. Rys. 6.33b ilustruje zmiany krzywej pojemności bramki C gi (U ) dla różnej wartości U S. C gi =C gsi +C gbi +C gdi. Trzy obszary pracy tranzystora: - zakres zatkania tylko C gbi (jak akumulacja+zubożenie w kond. MIS) - zakres nasycenia (U >U T ) - + C gsi (pojawia się ładunek kanału, jak inwersja w kond. MIS) - zakres nienasycenia ( U > U S +U T - +C gdi (przy drenie pojawia się ładunek kanału). Aby otrzymać schemat zastępczy tranzystora rzeczywistego, należy uzupełnić schemat dotychczasowy elementami zewnętrznymi: C gse, C gde <3 pf pojemnościami wynikającymi z częściowego pokrywania obszarów p + źródła i drenu przez metalizację bramki; C js i C jd pojemnościami złączy p-n źródła i drenu; r SB i r B rezystancjami rozproszonymi podłoża; r S i r rezystancjami szeregowymi źródła i drenu (kilkadziesiąt ). 9
g). Praca z małymi sygnałami - model dla małych częstotliwości funkcję I (U, U S ) rozkładamy w szereg Taylora wokół określonego punktu pracy i zostawiamy człony I-rzędu: I I id ugs uds =g m u gs +g ds u ds U U S - a) model dla dużych częstotliwości (do kilkudziesięciu MHz) - b) model dla bardzo dużych częstotliwości C gs =C gsi +C gbi +C gse ; C gd =C gdi +C gde Częstotliwość graniczna idealnego tranzystora MIS (podobnie jak dla tranzystora PNFET): 2 f g / 2 C U U / L ; w rzeczywistym tranzystorze f max jest < (C gse, C gde ) max m gs n T 2 10
2. Tranzystory MESFET z GaAs elementy wzmacniające w zakresie kilku do kilkudziesięciu GHz (bardzo małe szumy 2..4 db) Na półizolacyjnym podłożu kładzie się warstwę epitaksjalną GaAs typu n. Po trawieniu (wydzielenie wysp GaAs typu n) na podłożu wykonuje się dwa kontakty omowe (Au-AuGe-GaAs) oraz bramkę Au. Styk bramki metalowej z GaAs ma właściwości złącza z barierą Schottky ego działa jak tranzystor PNFET. Warstwa pp między bramką a podłożem pełni funkcję kanału, którego przekrój zależy od szerokości warstwy zubożonej złącza m-s. Przy polaryzacji złącza bramka-kanał w kierunku zaporowym obszar zubożony rozszerza się w głąb warstwy epitaksjalnej typu n, zmniejszając efektywny przekrój kanału. Zmiany napięcia bramki zmiany rezystancji kanału, czyli zmiany prądu w obwodzie źródło-dren. ługość bramki 0.5-2 m, ruchliwość elektronów w kanale 0.4 m 2 /Vs, więc f max ~50 GHz, duża moc rozpraszana: P a *f max =10..20 WGHz. 3. Tranzystory cienkowarstwowe (TFT) (Weimer 1961) Na podłoże szklane naparowuje się w próżni cienką warstwę metalu (Al, Au). Po trawieniu lokalnym z zastosowaniem fotolitografii powstają elektrody źródła i drenu. Próżniowo nanosi się cienką warstwę polikrystaliczanego pp (~kilka nm) CdS, CdSe lub CdTe. Następnie warstwę dielektryka (SiO 2 lub Al 2 O 3 ), na końcu naparowuje się metalową elektrodę bramki (Al). ziała jak tranzystor MIS (tranzystory TFT wytwarza się wyłącznie metodami próżniowego osadzania warstw, tranzystory MIS w procesie lokalnej dyfuzji, implantacji, epitaksji i utleniania termicznego). Zastosowanie elementy aktywne w scalonych układach cienkowarstwowych wytwarzanych w jednolitym procesie technologicznym (duża niestabilność parametrów w funkcji czasu) 11
4. Wpływ temperatury na właściwości tranzystorów polowych Największe znaczenie maja zmiany temperaturowe charakterystyki przejściowej I (U ). 1 Współczynnik temperaturowy prądu drenu (TKI = U ) dla wszystkich I I T tranzystorów polowych (punkt pracy) może przyjmować wartości dodatnie, ujemne lub zerowe. I (T): - zmiany ruchliwości nośników w kanale ( ), - zmiana potencjału Fermiego ( F ) T,, I. W tranzystorach PNFET i MOSFET z kanałem zubożanym spadek F ze wzrostem T prowadzi do spadku B bariery potencjału złącza p-n, maleje szerokość warstwy zubożonej, rośnie szerokość kanału, rośnie wartość bezwzględna napięcia zatkania U p. W tranzystorach MOS z kanałem wzbogacanym spadek F z T zmniejsza wartość bezwzględną napięcia progowego U T (mniejsze napięcie bramki dla inwersji przy mniejszym F ). 12
5. Układy włączenia tranzystora polowego - ze wspólnym źródłem WS uża impedancja wejściowa, umiarkowanie duża impedancja wyjściowa oraz >1 wzmocnienie napięciowe. Sygnał wejściowy podaje się między bramkę a źródło, sygnał wyjściowy zdejmuje się między drenem a źródłem. - ze wspólnym drenem W Zacisk wejściowy bramka, wyjściowy źródło, wspólny dren = wtórnik źródłowy. uża impedancja wejściowa, dość mała wyjściowa oraz wzmocnienie napięciowe <1. Gdy zachodzi konieczność transformacji impedancji, gdy pożądana jest mała pojemność wejściowa układu, do pracy przy dużych sygnałach. - ze wspólną bramką WG 13
Zacisk wejściowy źródło, wyjściowy dren, wspólny bramka. Mała impedancja wejściowa i duża wyjściowa. 6. Sposoby polaryzacji tranzystorów polowych - Pełne wykorzystanie bardzo dużej rezystancji wejściowej możliwe w tranzystorze z kanałem zubożanym (bez wstępnej polaryzacji bramki) rys. 7.12a. Ma miejsce magazynowanie ładunku w bramce (przebicie-brak obwodu polaryzacji) (U =0). - Ładunek gromadzony w pojemności bramka-kanał można odprowadzić przez rezystor R G między G i S rys. 7.12b (U =0). 14
- Punkt pracy w zakresie zubożania (U >0 dla tranzystora z kanałem p) można otrzymać poprzez włączenie oddzielnego źródła rys. 7.12c, lub metodą automatycznej polaryzacji bramki za pomocą spadku napięcia odkładającego się na rezystorze R s rys. 7.12d. - Niekiedy duże wartości rezystora R s (stabilność) dają zbyt duże wartości U kombinacja polaryzacji automatycznej z U >0 z dodatkową polaryzacją bramki z U <0 (oddzielne źródło lub dzielnik napięcia) rys. 7.12e,f. - la tranzystora z kanałem wzbogacanym typu p polaryzacja bramki powinna być ujemna U > U T. Uzyskuje się ja z oddzielnego źródła rys. 7.12g lub dzielnika rezystancyjnego rys. 7.12h. 15