Пределы миниатюризации кремниевых биполярных транзисторов

 

Уменьшение размера транзистора в направлении протекания эмиттерного тока ограничено возрастанием туннельных токов в эмиттерном и коллекторном переходах. Чтобы сформировать в монокристалле два p – n - перехода с достаточной шириной области пространственного заряда (для защиты от туннельных токов) и электронейтральную область базы, необходимо около 0,2 мкм кремния. Экспериментально получены образцы микросхем с шириной эмиттера 0,2 мкм и глубиной коллекторного перехода также 0,2 мкм. Диапазон рабочих напряжений таких микросхем не превышает 2 В. В настоящее время эффективно применяются кремниевые транзисторы с шириной эмиттера 0,4¸0,5 мкм. Развитие технологии субмикронных биполярных микросхем идет по пути применения других полупроводниковых материалов (SiGe, GaAs и др.).

 

 

Типовые структуры и характеристики кремниевых

МОП - транзисторов

 

Типовая структура МОП - транзистора с каналом n - типа проводимости показана на рис. 1.4. Основные элементы структуры: сток, исток, затвор, подложка (или изолированный «карман»). Области истока и стока легированы одинаково. Функции этих электродов определяются приложенными напряжениями и могут меняться при изменении режимов работы электрической схемы.

Рис. 1.4. Типовая структура МОП - транзистора

 

Кратко рассмотрим принцип работы МОП - транзисторов. В режиме включения с общим истоком этот электрод и подложка подключаются к общей шине, а на затвор и сток подаются положительные напряжения. Поле затвора проникает сквозь диэлектрик в подложку, отталкивает основные носители (дырки) и притягивает неосновные (электроны). Когда напряжение на затворе (U_з) превышает пороговое (U_п), проводимость инверсного слоя электронов становится значительной. Под затвором образуется канал, индуцированный электрическим полем. Режим при U_з < U_п называется режимом слабой инверсии, при U_з ³ U_п – режимом сильной инверсии.

Если U_з – U_с > U_п, то режим сильной инверсии сохраняется вдоль всей длины канала, а ток стока почти линейно возрастает с напряжением на электроде стока (рис. 1.5). Этот режим называется крутой областью ВАХ. При U_з – U_с £ U_п, под затвором со стороны стока условие высокого уровня инжекции нарушается, а выходные ВАХ меняют наклон. Дифференциальное сопротивление стока резко возрастает. Этот режим называется пологой областью ВАХ.

Рис. 1.5. Семейство выходных ВАХ n - канального МОП - транзистора

 

Электрическое поле в МОП - транзистор неодномерное и неоднородное. Описать аналитически все режимы очень сложно. Для качественного представления используется модель транзистора с длинным каналом и постоянной подвижностью.

В режиме слабой инверсии (U_з < U_п) ток в канале определяется термоэлектронной эмиссией над потенциальным барьером истокового                        p – n - перехода.

                                              .                                (1.13)

Фактор n > 20 сравнительно слабо зависит от напряжения на стоке и длины канала.

В крутой области ВАХ описывается формулой

                                                              (1.14)

где m_п – подвижность электронов в канале; W и L – ширина и длина канала, соответственно; C_ок – удельная емкость подзатворного окисла.

В пологой области

                                        .                             (1.15)

Модель длинного канала пренебрегает зависимостью тока стока от напряжения стока. В уточненной модели учитывается уменьшение эффективной длины затвора при возрастании напряжения на стоке. В формулу 1.15 вместо L надо подставить значение L_эфф:

                         ,                    (1.16)

где e_{S i} – диэлектрическая проницаемость кремния; q – заряд электрона; N_а – концентрация акцепторов в подложке.