Полевые транзисторные злементы интегральных схем

Полевые транзисторные структуры находят широкое применение в качестве полевых транзисторных элементов (ПТЭ) интегральных схем ИС.

Наиболее широко в ИС используются ПТЭ с изолирован­ным затвором.

Применение ПТЭ с изолированным затвором в интеграль­ных схемах обусловлено особенностями МДП-элементов: высоким входным сопротивлением (~10¹⁶ Ом), отсутствием необходимости в изоляции, возможностью использования поверхности, созданной в результате однократной диффузии, для стоков и истоков боль­шой группы транзисторных элементов, возможностью применения ПТЭ в качестве резисторов,

малой потребляемой и, следо­вательно, рассеиваемой мощностью, возможностью получения высокой степени интерации элементов. Привлекательной стороной МДП-элемен­тов является также технология их изготовления, которая проще технологии изготовления биполярных ТЭ и во многом сходна с тех­нологией получения пассивных элементов.

Основной недостаток ПТЭ в ИС заключается в относи­тельно малом быстродействии, обусловленном довольно высокими значениями емкостей затвор-исток и затвор-сток. При существую­щем в настоящее время уровне развития техники более быстро­действующими в ИС оказываются биполярные ТЭ. По этой причине в ИС иногда используется сочетание биполярных и полевых ТЭ.

МДП ТЭ выполняются таким образом, что имеют более низкое напряжение отсечки (или пороговое напряжение) по сравнению с аналогичными дискретными компонентами. Это позволяет, в част­ности, снизить напряжение питания ИС на полевых ТЭ до уровня напряжения питания ИС на биполярных ТЭ и тем самым обеспечить условия для их совместного эффективного применения.

Внешне схема устройства МДП ТЭ практически не отличается от схемы устройства дискретного полевого компонента. На рис.9 показан вариант МДП ПТЭ со встроенным -каналом.

Изоляция ПТЭ от других эле­ментов ИС осуществляется путем включения в обратном направлении перехода, образуемого подложкой с областями истока и стока.

В схемах с высокойстепенью интеграции применяются комплементарные МОП-элементы (КМОП), обладающие рядом ценных свойств: малой потребляемой мощностью в статическом режиме, относительно высоким быстродействием, хорошей помехоустойчивостью, большой нагрузочной способностью и высоким уровнем интеграции (до 10000 и более элементов на одном крис­талле ).

В КМОП ИС изоляция полевых элементов достигается как путем включения в обратном направлении переходов, образуемых подложкой с областями ПТЭ (рис.8), так и с помощью диэлектри­ка, в частности воздуха (рис.9), когда ИС изготавливаются по упомянутой выше технологии КНС (кремний на сапфире).

ИС на МДП и биполярных транзисторных элементах разрабаты­ваются и изготавливаются, как правило, раздельно. Однако в ря­де случаев эти элементы могут быть размещены на одной подложке.

Схематическое устройство ПТЭ с управляющим переходом показано на рис.10 и 11.

ТЭ с -каналом (см.рис.10) имеет скрытый ⁺-слой, предназначенный для снижения напряже­ния отсечки элемента за счет уменьшения начальной толщины канала. ТЭ с р -каналом (см.рис.11) содержит два затвора: верхний 3 и нижний 3', между которыми расположен -канал. Затворы могут быть соединены друг с другом, что условно показано штриховой линией.

Технология изготовления ТЭ с управляющим переходом хорошо согласуется с технологией биполярных ТЭ, поэтому они часто изготавливаются совместно на одной подложке.

Среди полевых ТЭ особое мес­то занимают МНОП ТЭ (МНОП - ме­талл-нитрид-окисел-полупроводник) , у которых диэлектрик затвора сос­тоит из слоев нитрида и окиси кремния (рис.12).

Характерной особенностью МНОП ТЭ является гистереэисная зависи­мость порогового напряжения от напряжения затвора. На рис.13 в качестве примера показана зависимость ( ) для одного из МНОП-элементов.

Из рисунка видно, что при подведении к зат­вору ТЭ напряжений больше 30 В и меньше -30 В у ТЭ устанавливаются различные пороговые напряжения. В качестве управляющих сигналов обычно используются импульсы напряжения длительностью около 0,1 мс. Так, при подаче импульса напряжения = 30 В устанавливается пороговое напряжение = - 5В, которое сохраня­ется при работе ТЭ в режиме малых сигналов. В таком режиме МНОП-элемент ведет себя как обычный МОП ТЭ с индуцированным -каналом. Если теперь подать напряжение = -30 В, то уста­новится другое пороговое напряжение = -20 В, и ТЭ ока­жется закрытым.

В основе работы МНОП ТЭ лежат процессы накопления носите­лей заряда вблизи границы между нитридным и окисным слоями. При напряжении затвора, обычно превышающем 25 В, через слой ди­электрика протекают токи проводимости, различные по значению и зависящие от напряжения затвора (при малых напряжениях затво­ра эти токи пренебрежимо малы). Локализация и соответственно накопление носителей заряда происходит в слое нитрида кремния. Накопленные заряд индуцирует на поверхности подложки заряд про­тивоположного знака, приводя к изменению порогового напряжения. После снятия напряжения затвора заряд в нитриде кремния может сохраняться в течение нескольких лет. Это обстоятельство поз­воляет использовать МНОП ТЭ в запоминающих устройствах с нераз­рушаемой энергонезависимой памятью.

При относительно большом отрицательном напряжении затвора ток проводимости через слой окиси кремния превышает ток через нитрид, что приводит к накоплению положительного заряда в слое нитрида и увеличению отрицательного порогового напряжения. При относительно большом положительном напряжении затвора в слое нитрида накапливается отрицательный заряд, что приводит к уменьшению отрицательного порогового напряжения.

Для снятия накопленного заряда достаточно приложить к зат­вору относительно высокое напряжение обратной полярности.