Выше мы уже рассматривали прохождение высокоэнергетических, «горячих» электронов сквозь тонкую металлическую пленку и инжектированных в нее путем эмиссии Шоттки, или туннелирования.
В 1960 г. Мидом был предложен тонкопленочный триод с туннельной эмиссией электронов, который представляет собой МДМДМ-структуру (рис. 9.13). В такой структуре электроны с уровня Ферми металлической пленки эмиттера туннелируют в зону проводимости диэлектрика. Электроны, имеющие достаточную энергию, могут достичь металлической пленки коллектора, если уровень Ферми эмиттера находится выше максимума потенциальной энергии коллекторного барьера.
|
|
|
а) б)
Рис. 9.13. Транзистор с металлической базой: а – зонная структура;
б – тонкопленочная конструкция
Толщина базы таких транзисторов 10-20 нм. Транзисторы с металлической базой работают на основе переноса основных носителей – электронов, то есть являются униполярными транзисторами. Вследствие малой толщины базы, время пролета через нее очень мало (10-13 – 10-14 с). Сопротивление базы почти на два порядка меньше, чем в биполярных транзисторах. Отсюда ясна причина высоких частотных характеристик транзисторов на горячих электронах.
|
|
Функциональные активные устройства на тонких пленках пока не получили широкого применения, хотя имеют хорошие перспективы. Они малоинерционны, обладают низким уровнем шумов, хорошими частотными характеристиками, малочувствительны к радиации и температурным изменениям.
Контрольные вопросы и задания
1.1. Какова роль тонких пленок в микроэлектронике?
1.2. Каковы свойства тонких пленок?
1.3. В чем основная причина особенностей тонких пленок?
1.4. Перечислите возможные механизмы электропроводности тонких пленок.
1.5. Дайте определение классического размерного эффекта.
1.6. Определите толщину пленки меди, при которой возникает зависимость ρ (d), T =300К.
1.7. В чем суть квантового размерного эффекта?
1.8. Определите величину разности между вторым и третьим энергетическим уровнем в пленке, толщиной 2 нм.
2.1. Охарактеризуйте омический МД-контакт.
2.2. В чем состоят особенности нейтрального МД-контакта?
2.3. В чем состоят особенности блокирующего и запорного контактов?
2.4. Определите величину дебаевской длины экранирования в кремнии при Т=300К.
2.5. Как формируется ОПЗ?
2.6. Как формируется потенциальный барьер, МД–контакта и от каких факторов он зависит?
2.7. Определите толщину ОПЗ в германии, если χм - χд =1,5 эВ, Nд =1023 м-3.
2.8. Охарактеризуйте различия «хороших» и «плохих» контактов в МДМ-структуре.
2.9. Определите емкость МДМ-структуры, имеющей внутреннее поле 3∙105 В/м и площадь 1 мм2.
|
|
3.1. В чем заключается туннельный эффект?
3.2. Как работает туннельная МДМ-структура?
3.3. Как и почему изменяется зонная структура МДМ под действием внешней разности потенциалов?
3.4. Как определяют прозрачность МДМ-структуры?
3.5. Какова температурная зависимость туннельного тока в МДМ-структуре?
4.1. Опишите механизм Шоттки.
4.2. Как работает механизм Шоттки в МДМ-структуре?
4.3. Рассчитайте ток в МДМ-структуре, если φδ =1 эВ, T=400К.
4.4. Чем вызвано насыщение тока в МДМ-структуре?
4.5. Определите величину понижения потенциального барьера в МДМ-структуре, если ε =7, d =2∙10-3 м.
4.6. В чем заключается эффект Френкеля-Пула?
4.7. В чем различие механизмов Шоттки и Френкеля-Пула?
5.1. Назовите условия для протекания ТОПЗ.
5.2. Как возникает пространственный заряд в диэлектрике МДМ-структуры?
5.3. Как и когда возникает эффект двойной инжекции в МДМ-структуре?
5.4. Как определяется концентрация носителей и напряженность поля в равновесной симметричной МДМ-структуре?
5.5. Как определяется концентрация носителей и напряженность поля в симметричной МДМ-структуре в условиях приложенной разности потенциалов?
5.6. Какой эффект возникает в случае сильно несимметричных контактов МДМ-структуры?
5.7. Нарисуйте ВАХ структуры и объясните ее поведение.
5.8. Как влияет эффект двойной инжекции на свойства МДМ-структуры с сильно несимметричными контактами?
6.1. Дайте определение горячих электронов.
6.2. Как осуществить ввод горячих электронов в диэлектрическую пленку?
6.3. Как работает ПМП-структура?
6.4. Приведите энергетическую диаграмму МДМ-труктуры.
6.5. Как определяют ток эмиссии?
7.1. Каковы основные принципы работы диода ПМП?
7.2. Опишите работу диода с резонансным туннелированием.
7.3. Почему в равновесном состоянии ток через ПДП-структуру отсутствует?
7.4. Найдите минимальное напряжение для туннелирования в ПДП- структуре, если толщина полупроводниковой пленки 2∙10-8 м.
7.5. Каковы принципы работы диэлектрического диода?
7.6. Опишите работу диэлектрического диода.
7.7. Нарисуйте ВАХ диэлектрического диода и объясните ее характер.
7.8. Назовите основные принципы работы ТОПЗ-триода?
7.9. Приведите возможные конструкции ТОПЗ-триода.
7.11. Назовите особенности ТОПЗ-триода.
7.12. Каковы основные принципы работы транзистора на горячих электронах?
7.13. Опишите работу транзистора с металлической базой.
7.14. Каковы основные достоинства транзисторов с металлической базой?
Глава 10
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
В предыдущих главах мы говорили о микроэлектронике в традиционном понимании этого термина. Традиционная, или интегральная, микроэлектроника – это раздел электроники, использующий принципы микроминиатюризации и интеграции. Грубо говоря, элементы электронной схемы выполняются в микроминиатюрном варианте и интегрируются в кристалле микросхемы. Такой подход позволил получить сложные электронные устройства с высокой степенью надежности и хорошими массогабаритными характеристиками.
При этом принципиальная схема микроэлектронного устройства практически не отличается от схемы устройства на дискретных элементах. И здесь, и там работают диоды, транзисторы, резисторы и т.д. Конечно, имеется разница в конструктивном исполнении этих элементов, но по большому счету схемные решения микроэлектронных устройств и устройств дискретной электроники аналогичны.
Здесь необходимо вспомнить, что основной тенденцией развития электроники вообще и микроэлектроники в частности является расширение и усложнение выполняемых функций (скорость операций, объем ЗУ, качество сигналов, количество и уровень функций бытовой электроники). Это напрямую требует увеличения числа элементов, входящих в схему. Если учесть критерии надежности и массогабаритные показатели, то становится очевидной необходимость уменьшения размеров элементов схемы и повышения степени интеграции ИС.
|
|
Казалось бы, развитие микроэлектроники возможно с помощью дальнейшего повышения степени микроминиатюризации и интеграции. Так ли это? Ответ на этот вопрос мы попытаемся найти в данной главе. Здесь же рассмотрим возможные альтернативные пути развития электроники вообще и микроэлектроники в частности.
Заранее оговоримся, что читателю предлагается весьма схематичное изложение материала, да и объем рассмотренных вопросов достаточно ограничен.
Для тех, кто хочет более детально и точно ознакомиться с проблемами, затронутыми в данной главе, мы предлагаем обратиться, например, к работам [16, 22, 23].