ЭЛЕМЕНТЫ ИМС НА МДП-СТРУКТУРАХ

Анализ свойств полевых транзисторов в дискретном исполнении показал их большие преимущества по сравнению с биполярными транзисторами. Естественно, что при создании полупроводниковых ИМС возникло стремление получения их на основе полевых транзисторов.

МДП-транзисторы ИМС. Их изготовляют по планарной технологии, однако при этом технология изготовления МДП-транзисторов проще и дешевле технологии изготовления биполярных транзисторов как за счет уменьшения числа требуемых при этом операций, так и за счет уменьшения числа операций, связанных с высокими температурами.

Одним из больших достоинств МДП-структур является отсутствие специальных операций для создания изоляций, так как в МДП-структурах такая изоляция не требуется — затворы транзисторов отделены от подложки диэлектриком, истоки и стоки соседних транзисторов разделены обратносмещенными PN-nepexoдами. Это позволяет размещать МДП-транзисторы гораздо ближе друг к другу, чем биполярные и, следовательно, на той же поверхности получить значительно больше элементов, повысить степень интеграции.

Основным типом МДП-транзисторов ИМС является МДП с индуцированным каналом. Имея большие преимущества по сравнению с биполярной структурой, МДП-транзисторы уступают им в таком важном показателе, как граничная частота, связанная с быстродействием. Основные причины, ограничивающие быстродействие МДП-ИМС — наличие паразитной емкости затвор—канал и время пролета основных носителей через канал. Напомним, что у полевых транзисторов нет таких явлений, ограничивающих быстродействие, как накопление и рассеивание неосновных носителей, так как в основе работы полевого транзистора лежит принцип прямого переноса основных носителей по каналу между истоком и стоком.

Таким образом, именно МДП-транзисторы являются основой для создания ИМС с максимальной степенью интеграции. Этому способствовали работы по усовершенствованию МДП-ИМС, в частности, создание МДП-транзисторов с N-каналом вместо преимущественно выпускавшихся ранее МДП-транзисторов с Р-каналом (так как подвижность электронов выше подвижности дырок, то и быстродействие таких транзисторов выше), а также применение метода ионного легирования, благодаря которому удалось уменьшить паразитные емкости, а следовательно, паразитные обратные связи, которые увеличиваются при большей скорости движения носителей.

Вторым направлением усовершенствования МДП-транзисторов ИМС является уменьшение напряжения отсечки, т. е. напряжения , при котором I_С = 0, что способствует уменьшению рабочих напряжений, а следовательно, и рассеиваемой мощности, и, в свою очередь, создает предпосылки для еще большего увеличения степени интеграции. Этого добиваются применением в качестве затвора слоя поликристаллического кремния вместо - металлического алюминиевого затвора. Уменьшение напряжения отсечки в этом случае объясняется тем, что затвор и подложка созданы на основе одного и того же материала — кремния, и поэтому контактная разность потенциалов между ними равна нулю, а следовательно, нет необходимости ее компенсировать, чтобы получить ток в канале.

Другой способ уменьшения порогового напряжения заключается в увеличении удельной емкости затвор — канал, что способствует увеличению крутизны характеристики транзистора, т. е. его управляющего действия, так как чем больше эта емкость, тем больше заряд наводится в канале с помощью напряжения затвора при прочих равных условиях. Замена диэлектрика SiO₂ с диэлектрической проницаемостью = 4,5 на диэлектрик Si₃N₄ (нитрид кремния) с и дает возможность получить большую удельную емкость и снизить напряжение отсечки.

МДП-резисторы. В ИМС на основе МДП-транзисторов в качестве резистора используется сам транзистор, т. е. его выходное сопротивление. В этом случае сопротивление резистора зависит от схемы включения транзистора — резистора, от соотношения между напряжением и .

МДП-конденсаторы. В этих конденсаторах использована обычная МДП-структура. Верхняя обкладка — затвор, диэлектрик — двуокись кремния, нижняя обкладка — полупроводник.

Следует отметить специфические особенности МДП-конденсатора по сравнению с конденсатором с двумя металлическими пластинами. Наличие полупроводника в качестве одной из обкладок создает зависимость между емкостью МДП-конденсатора и приложенным напряжением, так как в отличие от металла, где заряд сосредоточен на' его поверхности, в слое полупроводника под действием приложенного напряжения будет меняться концентрация носителей в слое у поверхности диэлектрика.

Рассмотрим МДП-конденсатор (рис. 19.5) с N-полупроводником в качестве обкладки. Если поданное напряжение имеет плюс па затворе, то возникшее электрическое поле притянет электроны к поверхности диэлектрика, резко повысится концентрация основных носителей в приповерхностном слое, т. е. возникнет режим обогащения. Это позволяет рассматривать полупроводниковую обкладку конденсатора по своим свойствам близкой к металлической и расчет удельной емкости вести по обычной формуле — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, d — его толщина.

Если приложить напряжение минусом на затворе, возникает режим обеднения, электроны будут отталкиваться от поверхности диэлектрика в глубь полупроводника и под этой поверхностью образуется слой, в котором будут отсутствовать электроны, а заряд положительного знака будет образован неосновными носителями — дырками. Таким образом, в отличие от диффузионных конденсаторов в биполярных структурах, работающих только при одной полярности напряжения смещения, МДП-транзисторы могут работать при любой полярности, что является большим достоинством этих конденсаторов.

Общая емкость МДП-конденсатора зависит от площади и толщины слоя диэлектрика. Для уменьшения потерь в полупроводниковой обкладке на ее сопротивлении используется слой с большой концентрацией N⁺. При толщине слоя диэлектрика d=(0,05... ...0,1) мкм 500... 700 пФ/мм², . Чем тоньше слой диэлектрика, тем больше удельная емкость, но меньше напряжение пробоя. Следует отметить, что МДП-конденсаторы могут быть использованы как переменные емкости, в частности МДП-варикапы или варакторы.