Cyfroteka.pl

klikaj i czytaj online

Cyfro
Czytomierz
00472 010629 7486597 na godz. na dobę w sumie
Półprzewodniki. Nowoczesne rozwiązania w układach scalonych - ebook/pdf
Półprzewodniki. Nowoczesne rozwiązania w układach scalonych - ebook/pdf
Autor: Liczba stron: 448
Wydawca: Helion Język publikacji: polski
ISBN: 978-83-283-2093-2 Data wydania:
Lektor:
Kategoria: ebooki >> komputery i informatyka >> elektronika >> elektronika
Porównaj ceny (książka, ebook (-20%), audiobook).
Elektronika jest jednym z ważniejszych i zarazem najtrudniejszych przedmiotów wykładanych na studiach technicznych. Co istotne, dogłębne zrozumienie jej prawideł, jak również opanowanie pewnej wiedzy praktycznej, okazuje się niezwykle istotne dla osób zajmujących się zawodowo informatyką oraz niektórymi dziedzinami techniki, zwłaszcza półprzewodnikami, projektowaniem układów scalonych, systemami mikroelektromechanicznymi, optyką, nanotechnologią i materiałoznawstwem.

Książka ta jest kierowana przede wszystkim do studentów studiów technicznych, ale mogą z niej korzystać również studenci studiów doktoranckich, a także inżynierowie i naukowcy. Będzie szczególnie doceniona przez praktyków zajmujących się projektowaniem i funkcjonowaniem nowoczesnych urządzeń elektronicznych. Książka zawiera przydatne informacje dotyczące tranzystorów i ich zastosowania w projektowaniu obwodów. Przedstawiono tu dogłębną analizę zagadnień związanych z podstawowymi komponentami układów elektronicznych. Przybliżono zasady działania takich urządzeń, jak ogniwa fotowoltaiczne, diody LED, diody laserowe itp.

W książce tej przedstawiono:

Nowoczesnej elektroniki należy uczyć się od najlepszych!

Znajdź podobne książki

Darmowy fragment publikacji:

Tytuł oryginału: Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits Tłumaczenie: Konrad Matuk ISBN: 978-83-283-2090-1 Authorized translation from the English language edition, entitled: MODERN SEMICONDUCTOR DEVICES FOR INTEGRATED CIRCUITS, ISBN 0136085253; by Chenming Calvin Hu; published by Pearson Education, Inc, publishing as Prentice Hall. Copyright © 2010 Pearson Higher Education. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. Polish language edition published by HELION S.A., Copyright © 2016. Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELION nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63 e-mail: helion@helion.pl WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek) Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres http://helion.pl/user/opinie/polprz Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję. Printed in Poland. • Kup książkę • Poleć książkę • Oceń książkę • Księgarnia internetowa • Lubię to! » Nasza społeczność Spis tre(cid:258)ci Przedmowa 11 O autorze 13 (cid:120) 1 (cid:120) PÓ(cid:146)PRZEWODNIKI: ELEKTRONY I DZIURY W PÓ(cid:146)PRZEWODNIKACH 15 1.1. (cid:120) Krystaliczna struktura krzemu 16 1.2. (cid:120) Model wi(cid:199)za(cid:247) elektronów i dziur 18 1.3. (cid:120) Energetyczny model pasmowy 22 1.4. (cid:120) Pó(cid:245)przewodniki, izolatory i przewodniki 27 1.5. (cid:120) Elektrony i dziury 29 1.6. (cid:120) G(cid:215)sto(cid:265)(cid:201) stanów 32 1.7. (cid:120) Równowaga cieplna i funkcja Fermiego 33 1.8. (cid:120) Koncentracje elektronów i dziur 37 1.9. (cid:120) Ogólne zagadnienia dotycz(cid:199)ce parametrów n i p 43 1.10. (cid:120) Koncentracje no(cid:265)ników w bardzo niskich i bardzo wysokich temperaturach 47 1.11. (cid:120) Podsumowanie rozdzia(cid:245)u 47 Zadania 49 Bibliografia 54 Publikacje ogólnie zwi(cid:199)zane z tematyk(cid:199) rozdzia(cid:245)u 55 (cid:120) 2 (cid:120) RUCH I REKOMBINACJA ELEKTRONÓW I DZIUR 57 2.1. (cid:120) Ruch cieplny 57 2.2. (cid:120) Dryft 60 2.3. (cid:120) Pr(cid:199)d dyfuzyjny 69 2.4. (cid:120) Zale(cid:290)no(cid:265)(cid:201) pomi(cid:215)dzy wykresem poziomów energetycznych a napi(cid:215)ciem i polem elektrycznym 71 Poleć książkęKup książkę 6 Spis tre(cid:258)ci 2.5. (cid:120) Zale(cid:290)no(cid:265)(cid:201) Einsteina pomi(cid:215)dzy D i (cid:80) 71 2.6. (cid:120) Rekombinacja elektron-dziura 74 2.7. (cid:120) Generacja termiczna 77 2.8. (cid:120) Quasi-równowaga i poziomy quasi-Fermiego 77 2.9. (cid:120) Podsumowanie rozdzia(cid:245)u 79 Zadania 81 Bibliografia 84 Publikacje ogólnie zwi(cid:199)zane z tematyk(cid:199) rozdzia(cid:245)u 84 (cid:120) 3 (cid:120) TECHNOLOGIA PRODUKCJI KOMPONENTÓW PÓ(cid:146)PRZEWODNIKOWYCH 85 3.1. (cid:120) Wst(cid:215)p do produkcji komponentów 86 3.2. (cid:120) Utlenianie krzemu 88 3.3. (cid:120) Litografia 89 3.4. (cid:120) Transfer wzorów — trawienie 96 3.5. (cid:120) Domieszkowanie pó(cid:245)przewodnika 99 3.6. (cid:120) Dyfuzja domieszek 101 3.7. (cid:120) Osadzanie cienkich warstw 105 3.8. (cid:120) Proces tworzenia z(cid:245)(cid:199)czy pomi(cid:215)dzy komponentami 110 3.9. (cid:120) Testowanie, monta(cid:290) i kwalifikacja 113 3.10. (cid:120) Podsumowanie rozdzia(cid:245)u — przyk(cid:245)adowy proces produkcji komponentu 114 Zadania 116 Bibliografia 120 Publikacje ogólnie zwi(cid:199)zane z tematyk(cid:199) rozdzia(cid:245)u 121 (cid:120) 4 (cid:120) Z(cid:146)(cid:107)CZE P-N I Z(cid:146)(cid:107)CZE METAL-PÓ(cid:146)PRZEWODNIK 123 Cz(cid:218)(cid:258)(cid:202) I Z(cid:239)(cid:200)cze p-n 123 4.1. (cid:120) Zagadnienia teoretyczne zwi(cid:199)zane ze z(cid:245)(cid:199)czem p-n 124 4.2. (cid:120) Model warstwy zubo(cid:290)onej 128 4.3. (cid:120) Z(cid:245)(cid:199)cze p-n i polaryzacja zaporowa 133 4.4. (cid:120) Charakterystyki pojemno(cid:265)ciowo-napi(cid:215)ciowe 134 4.5. (cid:120) Przebicie z(cid:245)(cid:199)cza p-n 136 4.6. (cid:120) Iniekcja no(cid:265)ników w polaryzacji przewodzenia i warunkach quasi-równowagi brzegowej 141 4.7. (cid:120) Równanie ci(cid:199)g(cid:245)o(cid:265)ci pr(cid:199)du 144 4.8. (cid:120) No(cid:265)niki nadmiarowe w z(cid:245)(cid:199)czu p-n w polaryzacji przewodzenia 146 4.9. (cid:120) Charakterystyki pr(cid:199)dowo-napi(cid:215)ciowe diody pó(cid:245)przewodnikowej 150 4.10. (cid:120) Magazynowanie (cid:245)adunku 154 4.11. (cid:120) Ma(cid:245)osygna(cid:245)owy model diody 155 Poleć książkęKup książkę Spis tre(cid:258)ci 7 Cz(cid:218)(cid:258)(cid:202) II Zastosowanie w komponentach optoelektronicznych 156 4.12. (cid:120) Ogniwa fotowoltaiczne 156 4.13. (cid:120) Diody elektroluminescencyjne i o(cid:265)wietlenie pó(cid:245)przewodnikowe 164 4.14. (cid:120) Diody laserowe 170 4.15. (cid:120) Fotodiody 175 Cz(cid:218)(cid:258)(cid:202) III Z(cid:239)(cid:200)cze metal-pó(cid:239)przewodnik 176 4.16. (cid:120) Bariera Schottky’ego 176 4.17. (cid:120) Teoria emisji termoelektronowej 181 4.18. (cid:120) Diody Schottky’ego 182 4.19. (cid:120) Zastosowanie diod Schottky’ego 184 4.20. (cid:120) Tunelowanie kwantowo-mechaniczne 186 4.21. (cid:120) Kontakt omowy 186 4.22. (cid:120) Podsumowanie rozdzia(cid:245)u 190 Zadania 194 Bibliografia 204 Publikacje ogólnie zwi(cid:199)zane z tematyk(cid:199) rozdzia(cid:245)u 205 (cid:120) 5 (cid:120) KONDENSATOR MOS 207 5.1. (cid:120) Warunek i napi(cid:215)cie pasma p(cid:245)askiego 208 5.2. (cid:120) Akumulacja powierzchniowa 210 5.3. (cid:120) Zubo(cid:290)enie powierzchni 212 5.4. (cid:120) Warunek progowy i napi(cid:215)cie progowe 213 5.5. (cid:120) Silna inwersja poza warunkami progowymi 216 5.6. (cid:120) Charakterystyki pojemno(cid:265)ciowo-napi(cid:215)ciowe kondensatora MOS 220 5.7. (cid:120) (cid:244)adunek tlenku — wp(cid:245)yw na Ufb i Ut 225 5.8. (cid:120) Zubo(cid:290)enie bramki wykonanej z krzemu polikrystalicznego spowodowane wzrostem Tox 228 5.9. (cid:120) Grubo(cid:265)(cid:201) i efekt kwantowo-mechaniczny warstw inwersji i akumulacji 230 5.10. (cid:120) Matryca CCD i CMOS 233 5.11. (cid:120) Podsumowanie rozdzia(cid:245)u 240 Zadania 243 Bibliografia 252 Publikacje ogólnie zwi(cid:199)zane z tematyk(cid:199) rozdzia(cid:245)u 252 (cid:120) 6 (cid:120) TRANZYSTOR MOS 253 6.1. (cid:120) Tranzystory MOSFET — wprowadzenie 253 6.2. (cid:120) Struktura komplementarna MOS (technologia CMOS) 254 6.3. (cid:120) Ruchliwo(cid:265)ci powierzchniowe i uk(cid:245)ady FET charakteryzuj(cid:199)ce si(cid:215) du(cid:290)(cid:199) mobilno(cid:265)ci(cid:199) 260 Poleć książkęKup książkę 8 Spis tre(cid:258)ci 6.4. (cid:120) Napi(cid:215)cie Ut, efekt pod(cid:245)o(cid:290)a i domieszkowanie tranzystora MOSFET 267 6.5. (cid:120) Parametr Qinw charakteryzuj(cid:199)cy tranzystory MOSFET 271 6.6. (cid:120) Podstawowy model pr(cid:199)dowo-napi(cid:215)ciowy tranzystora MOSFET 272 6.7. (cid:120) Przyk(cid:245)adowy uk(cid:245)ad: inwerter CMOS 276 6.8. (cid:120) Nasycenie pr(cid:215)dko(cid:265)ci 282 6.9. (cid:120) Model pr(cid:199)dowo-napi(cid:215)ciowy tranzystora MOSFET uwzgl(cid:215)dniaj(cid:199)cy nasycenie pr(cid:215)dko(cid:265)ci 284 6.10. (cid:120) Paso(cid:290)ytnicza rezystancja (cid:288)ród(cid:245)o-dren 289 6.11. (cid:120) Wyci(cid:199)ganie rezystancji szeregowej i efektywnej d(cid:245)ugo(cid:265)ci kana(cid:245)u 290 6.12. (cid:120) Przerost pr(cid:215)dko(cid:265)ci i limit pr(cid:215)dko(cid:265)ci (cid:288)ród(cid:245)a 293 6.13. (cid:120) Konduktancja wyj(cid:265)ciowa 295 6.14. (cid:120) Wydajno(cid:265)(cid:201) przy wysokich cz(cid:215)stotliwo(cid:265)ciach 296 6.15. (cid:120) Zak(cid:245)ócenia tranzystorów MOSFET 299 6.16. (cid:120) SRAM, DRAM i ko(cid:265)ci pami(cid:215)ci nieulotnej flash 305 6.17. (cid:120) Podsumowanie rozdzia(cid:245)u 314 Zadania 318 Bibliografia 330 Publikacje ogólnie zwi(cid:199)zane z tematyk(cid:199) rozdzia(cid:245)u 331 (cid:120) 7 (cid:120) TRANZYSTORY MOSFET W UK(cid:146)ADACH SCALONYCH — ZMIANA SKALI, PR(cid:107)D UP(cid:146)YWU I INNE ZAGADNIENIA 333 7.1. (cid:120) Zmiana skali technologii — zmniejszenie kosztów produkcji, wzrost szybko(cid:265)ci, zmniejszenie poboru pr(cid:199)du 334 7.2. (cid:120) Pr(cid:199)d podprogowy — „wy(cid:245)(cid:199)czony” nie oznacza „zupe(cid:245)nie wy(cid:245)(cid:199)czony” 338 7.3. (cid:120) Spadek wzmocnienia napi(cid:215)cia Ut — tranzystory MOSFET o krótkich kana(cid:245)ach charakteryzuj(cid:199) si(cid:215) wi(cid:215)kszym pr(cid:199)dem up(cid:245)ywu 342 7.4. (cid:120) Redukcja grubo(cid:265)ci elektrycznej izolacji bramki i up(cid:245)yw tunelowy 347 7.5. (cid:120) Redukcja parametru Wzub 349 7.6. (cid:120) P(cid:245)ytkie z(cid:245)(cid:199)cze i tranzystory MOSFET z metalowymi (cid:288)ród(cid:245)ami i drenami 352 7.7. (cid:120) Kompromis pomi(cid:215)dzy Iw(cid:225) i Iwy(cid:225) a opracowywanie projektu pod k(cid:199)tem mo(cid:290)liwo(cid:265)ci produkcji 354 7.8 (cid:120) Tranzystory MOSFET o bardzo cienkich korpusach i wielu bramkach 357 7.9. (cid:120) Konduktancja wyj(cid:265)ciowa 362 7.10. (cid:120) Symulacja procesów i komponentów 364 7.11. (cid:120) Kompaktowy model tranzystora MOSFET u(cid:290)ywany w symulacji pracy obwodu 365 7.12. (cid:120) Podsumowanie rozdzia(cid:245)u 366 Zadania 368 Bibliografia 371 Publikacje ogólnie zwi(cid:199)zane z tematyk(cid:199) rozdzia(cid:245)u 372 Poleć książkęKup książkę Spis tre(cid:258)ci 9 (cid:120) 8 (cid:120) TRANZYSTOR BIPOLARNY 373 8.1. (cid:120) Wprowadzenie do tranzystorów BJT 374 8.2. (cid:120) Pr(cid:199)d kolektora 376 8.3. (cid:120) Pr(cid:199)d bazy 380 8.4. (cid:120) Wzmocnienie pr(cid:199)dowe 381 8.5. (cid:120) Modulacja szeroko(cid:265)ci bazy napi(cid:215)ciem kolektora 386 8.6. (cid:120) Model Ebersa-Molla 389 8.7. (cid:120) Czas opadania i magazynowanie (cid:245)adunku 392 8.8. (cid:120) Model ma(cid:245)osygna(cid:245)owy 396 8.9. (cid:120) Cz(cid:215)stotliwo(cid:265)(cid:201) graniczna 399 8.10. (cid:120) Model sterowany pr(cid:199)dem 400 8.11. (cid:120) Model do wielkosygna(cid:245)owej symulacji pracy obwodu 404 8.12. (cid:120) Podsumowanie rozdzia(cid:245)u 406 Zadania 408 Bibliografia 414 Publikacje ogólnie zwi(cid:199)zane z tematyk(cid:199) rozdzia(cid:245)u 414 DODATEK A Wyprowadzenie wzorów na g(cid:215)sto(cid:265)(cid:201) stanów 415 DODATEK B Wyprowadzenie funkcji rozk(cid:245)adu Fermiego-Diraca 419 DODATEK C Samouzgodnienie za(cid:245)o(cid:290)e(cid:247) dotycz(cid:199)cych no(cid:265)ników mniejszo(cid:265)ciowych 423 Odpowiedzi do wybranych zada(cid:247) 427 Skorowidz 433 Poleć książkęKup książkę 10 Spis tre(cid:258)ci Poleć książkęKup książkę 7 Tranzystory MOSFET w uk(cid:239)adach scalonych — zmiana skali, pr(cid:200)d up(cid:239)ywu i inne zagadnienia CELE ROZDZIA(cid:146)U W rozdziale tym omówi(cid:218) sposoby dalszej redukcji d(cid:239)ugo(cid:258)ci bramki tranzystora MOSFET. Kolejnymi wa(cid:285)nymi zagadnieniami dotycz(cid:200)cymi tranzystorów MOSFET, które zostan(cid:200) przedstawione w tym rozdziale, s(cid:200) pr(cid:200)d stanu wy(cid:239)(cid:200)czenia i pr(cid:200)d up(cid:239)ywu. Rozdzia(cid:239) ten stanowi dope(cid:239)nienie wywodu na temat pr(cid:200)du stanu w(cid:239)(cid:200)- czenia, który zosta(cid:239) zaprezentowany w poprzednim rozdziale. W tym rozdziale omówi(cid:218) równie(cid:285) tematy takie jak podprogowy pr(cid:200)d up(cid:239)ywu i jego wp(cid:239)yw na reduk- cj(cid:218) rozmiaru tranzystora, zale(cid:285)no(cid:258)ci pomi(cid:218)dzy Iw(cid:239) i Iwy(cid:239) i ich wp(cid:239)yw na projekto- wanie obwodów. Szczególn(cid:200) uwag(cid:218) zwróci(cid:239)em na opisanie mo(cid:285)liwo(cid:258)ci zmniej- szania skali scalenia uk(cid:239)adów MOSFET w przysz(cid:239)o(cid:258)ci: zwi(cid:218)kszanie ruchliwo(cid:258)ci no(cid:258)ników, zastosowanie dielektryków charakteryzuj(cid:200)cych si(cid:218) wysokim wspó(cid:239)- czynnikiem k do produkcji metalowych bramek, technologia SOI (krzem na izo- latorze), wielobramkowe tranzystory MOSFET, metalowe (cid:283)ród(cid:239)a i dreny itp. W roz- dziale tym opisa(cid:239)em tak(cid:285)e symulacj(cid:218) tranzystora MOSFET oraz kompaktowy model symulacji obwodu. U k(cid:245)ady scalone typu metal-tlenek-pó(cid:245)przewodnik (MOS) zaspokajaj(cid:199) rosn(cid:199)ce zapotrzebowanie na komponenty elektroniczne w informatyce, telekomuni- kacji, rozrywce, przemy(cid:265)le motoryzacyjnym i wielu innych dziedzinach (cid:290)ycia. Uk(cid:245)ady te s(cid:199) stale ulepszane pod wzgl(cid:215)dem kosztu produkcji, szybko(cid:265)ci pracy i poboru mocy. Dzi(cid:215)ki rozwojowi uk(cid:245)ady te mog(cid:199) by(cid:201) stosowane w nowych aplikacjach. Przy- czyniaj(cid:199) si(cid:215) w ten sposób do wzrostu jako(cid:265)ci naszego (cid:290)ycia i produktywno(cid:265)ci. Poleć książkęKup książkę 334 Pó(cid:239)przewodniki. Nowoczesne rozwi(cid:200)zania w uk(cid:239)adach scalonych 7.1. (cid:120) ZMIANA SKALI TECHNOLOGII — ZMNIEJSZENIE KOSZTÓW PRODUKCJI, WZROST SZYBKO(cid:165)CI, ZMNIEJSZENIE POBORU PR(cid:107)DU (cid:120) W ci(cid:199)gu 45 lat (od 1965 r.) koszt produkcji jednego bitu pami(cid:215)ci pó(cid:245)przewodniko- wej zmala(cid:245) 100 milionów razy. Koszt produkcji bramek logicznych uleg(cid:245) podobnej, znacznej redukcji. Spadek kosztów produkcji stymulowa(cid:245) rozwój nowych zastoso- wa(cid:247) technologii pó(cid:245)przewodnikowych, co mia(cid:245)o wp(cid:245)yw na prawie wszystkie dzie- dziny (cid:290)ycia. Tak szybki rozwój elektroniki by(cid:245) mo(cid:290)liwy dzi(cid:215)ki „miniaturyzacji”. Zmniejszanie rozmiarów tranzystorów i (cid:245)(cid:199)cz(cid:199)cych ich elementów pozwala na zmiesz- czenie wi(cid:215)kszej liczby uk(cid:245)adów na krzemowym waflu, dzi(cid:215)ki czemu koszt produkcji pojedynczego uk(cid:245)adu staje si(cid:215) mniejszy. Miniaturyzacja pozwoli(cid:245)a równie(cid:290) zwi(cid:215)k- szy(cid:201) szybko(cid:265)(cid:201) pracy uk(cid:245)adów scalonych oraz zmniejszy(cid:201) ilo(cid:265)(cid:201) pobieranego przez nich pr(cid:199)du. Gordon Moore sformu(cid:245)owa(cid:245) w 1965 r. twierdzenie, zgodnie z którym liczba kom- ponentów znajduj(cid:199)cych si(cid:215) na powierzchni czipa podwaja si(cid:215) co 18 – 24 miesi(cid:199)ce. Jest to prawo Moore’a, które opisuje trend miniaturyzacji. Za ka(cid:290)dym razem, gdy minimalna szeroko(cid:265)(cid:201) linii jest zredukowana, mówimy o wprowadzeniu technologii kolejnej generacji lub kolejnego w(cid:215)z(cid:245)a technologicznego. Przyk(cid:245)adowe techno- logie to: 0,18 (cid:80)m, 0,13 (cid:80)m, 90 nm, 65 nm, 45 nm itd. Liczby te odwo(cid:245)uj(cid:199) si(cid:215) do mini- malnej szeroko(cid:265)ci metalowej linii. D(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) bramki wykonanej z polikrystalicznego krzemu mo(cid:290)e by(cid:201) znacznie mniejsza. W ka(cid:290)dej kolejnej technologii wszystkie ele- menty uk(cid:245)adu, takie jak otwory z(cid:245)(cid:199)czy, s(cid:199) zmniejszone o nawet 70 w stosunku do poprzedniej technologii. Praktyka cyklicznego zmniejszania rozmiarów okre(cid:265)lana jest mianem skalowania. Kolejne generacje technologii produkcji pó(cid:245)przewodni- ków s(cid:199) wprowadzane co 2 – 3 lata. G(cid:245)ówn(cid:199) zalet(cid:199) wprowadzania nowych technologii jest zmniejszenie o po(cid:245)ow(cid:215) rozmiarów obwodu (zmniejszenie szeroko(cid:265)ci linii o 70 pozwala na zredukowanie obszaru o oko(cid:245)o 50 — 0,7 (cid:117) 0,7 = 0,49). W zwi(cid:199)zku z tym, (cid:290)e na krzemowym waflu mo(cid:290)na zmie(cid:265)ci(cid:201) dwukrotnie wi(cid:215)cej obwodów, koszt produkcji pojedynczego obwodu znacznie si(cid:215) obni(cid:290)a. Dzi(cid:215)ki temu czipy staj(cid:199) si(cid:215) coraz ta(cid:247)sze. (cid:120) Pierwsze reakcje na ide(cid:218) tworzenia uk(cid:239)adów scalonych (cid:120) Zamieszczon(cid:199) poni(cid:290)ej anegdot(cid:215) opowiedzia(cid:245) dr Jack Kilby 22 stycznia 1991 r. „Dzisiaj wszyscy akceptuj(cid:199) tworzenie uk(cid:245)adów scalonych, ale nie zawsze tak by(cid:245)o. Gdy w 1959 r. og(cid:245)oszono ide(cid:215) produkcji uk(cid:245)adów scalonych, pomys(cid:245) ten spotka(cid:245) si(cid:215) z pewnymi w(cid:199)tpliwo(cid:265)ciami: 1. Wydajno(cid:265)(cid:201) tranzystora mo(cid:290)e by(cid:201) obni(cid:290)ona wskutek kompromisów spowodowanych instalacj(cid:199) innych komponentów, takich jak rezystory i kondensatory. 2. Uk(cid:245)ady tego typu b(cid:215)d(cid:199) trudne w produkcji, a wi(cid:215)c produkcja ich b(cid:215)dzie ma(cid:245)o op(cid:245)acalna. 3. Zaprojektowanie takiego uk(cid:245)adu b(cid:215)dzie drogie, a jego modyfikacja utrudniona. Poleć książkęKup książkę Rozdzia(cid:239) 7. (cid:120) Tranzystory MOSFET w uk(cid:239)adach scalonych 335 Rozmowy na te tematy wype(cid:245)nia(cid:245)y spotkania osób zwi(cid:199)zanych z bran(cid:290)(cid:199) techniczn(cid:199) przez kolejne 5 – 6 lat”. W 1959 r. Jack Kilby, pracuj(cid:199)cy dla firmy Texas Instruments, i Robert Noyce, pracuj(cid:199)cy dla firmy Fairchild Semiconductor, niezale(cid:290)nie wymy(cid:265)lili technologi(cid:215) (cid:245)(cid:199)czenia ze sob(cid:199) wielu kompo- nentów tworz(cid:199)cych jeden obwód elektroniczny. Po dzieci(cid:215)ciu latach batalii s(cid:199)dowej patenty obu firm zosta(cid:245)y uznane za wa(cid:290)ne, a Noyce i Kilby zostali uznani za wspó(cid:245)twórców uk(cid:245)adu scalonego. Doktor Kilby otrzyma(cid:245) w 2000 r. Nagrod(cid:215) Nobla w dziedzinie fizyki za wynalezienie uk(cid:245)adu scalonego. Doktor Noyce, który stworzy(cid:245) planarn(cid:199) technologi(cid:215) produkcji uk(cid:245)adów scalo- nych poprzez uk(cid:245)adanie kolejnych warstw materia(cid:245)ów, nie doczeka(cid:245) si(cid:215) takiego wyró(cid:290)nienia, poniewa(cid:290) zmar(cid:245) w 1990 r. Poza szeroko(cid:265)ci(cid:199) linii podczas skalowania technologii produkcji tranzystorów MOSFET redukcji ulegaj(cid:199) równie(cid:290) inne parametry, takie jak grubo(cid:265)(cid:201) tlenku bramki, a tak(cid:290)e napi(cid:215)cie zasilaj(cid:199)ce. Parametry te s(cid:199) redukowane tak, aby g(cid:215)sto(cid:265)(cid:201) pr(cid:199)du tran- zystora (Iw(cid:225)/W) wzrasta(cid:245)a w ka(cid:290)dej kolejnej technologii. Ponadto zmniejszanie roz- miarów tranzystorów pozwala na (cid:245)(cid:199)czenie ich za pomoc(cid:199) krótszych elementów po(cid:245)(cid:199)- czeniowych, które charakteryzuj(cid:199) si(cid:215) mniejsz(cid:199) pojemno(cid:265)ci(cid:199). Wszystkie te zmiany powoduj(cid:199) zmniejszenie opó(cid:288)nienia dzia(cid:245)ania obwodu (zobacz równanie 6.7.1). Pod- czas wprowadzania kolejnych technologii szybko(cid:265)(cid:201) dzia(cid:245)ania uk(cid:245)adów scalonych wzrasta(cid:245)a (cid:265)rednio o oko(cid:245)o 30 . Wi(cid:215)ksze szybko(cid:265)ci pozwalaj(cid:199) na stosowanie uk(cid:245)a- dów scalonych w nowych aplikacjach — np. w nadajnikach danych charakteryzuj(cid:199)- cych si(cid:215) szerokim pasmem (uk(cid:245)ady takie znajduj(cid:199) si(cid:215) w telefonach komórkowych). Zmniejszanie skali ma jeszcze jedn(cid:199) zalet(cid:215). Z równania 6.7.6 wynika, (cid:290)e reduk- cja pojemno(cid:265)ci, a zw(cid:245)aszcza redukcja napi(cid:215)cia zasilaj(cid:199)cego, efektywnie zmniejsza ilo(cid:265)(cid:201) pr(cid:199)du pobieranego przez komponent. Dzi(cid:215)ki redukcji parametrów C i Udd pobór mocy przez uk(cid:245)ady scalone wzrós(cid:245) tylko nieznacznie pomimo wzrostu cz(cid:215)stotliwo- (cid:265)ci prze(cid:245)(cid:199)czania (f), a tak(cid:290)e podwojenia liczby tranzystorów wchodz(cid:199)cych w sk(cid:245)ad uk(cid:245)adów scalonych tworzonych w kolejnych technologiach. Gdyby nie zmniejszanie skali, to mikroprocesor jednego komputera osobistego, który sk(cid:245)ada(cid:245)by si(cid:215) z miliarda tranzystorów pracuj(cid:199)cych z cz(cid:215)stotliwo(cid:265)ci(cid:199) 2 GHz, wyprodukowany w technologii stosowanej w latach 70. ubieg(cid:245)ego wieku, pobiera(cid:245)by tyle pr(cid:199)du, ile generuje ca(cid:245)a elektrownia. Reasumuj(cid:199)c, zmniejszanie skali produkcji tranzystorów zmniejsza koszt ich produkcji, zwi(cid:215)ksza szybko(cid:265)(cid:201) pracy i zmniejsza ilo(cid:265)(cid:201) pobieranego przez nich pr(cid:199)du. Wszystkie te parametry znacz(cid:199)co si(cid:215) poprawi(cid:245)y (od 10 do 100 milionów razy) w ci(cid:199)gu czterdziestu lat — jest to najwi(cid:215)ksze osi(cid:199)gni(cid:215)cie in(cid:290)ynieryjne w historii ludzko(cid:265)ci! W (cid:265)wiecie uk(cid:245)adów scalonych ma(cid:245)e jest pi(cid:215)kne! Poleć książkęKup książkę 336 Pó(cid:239)przewodniki. Nowoczesne rozwi(cid:200)zania w uk(cid:239)adach scalonych 7.1.1. Innowacje pozwalaj(cid:200)ce na zmniejszanie skali Osoby zajmuj(cid:199)ce si(cid:215) rozwojem pó(cid:245)przewodników spotykaj(cid:199) si(cid:215) kilka razy w ci(cid:199)gu roku i dyskutuj(cid:199)c, próbuj(cid:199) okre(cid:265)li(cid:201) wydajno(cid:265)(cid:201) tranzystorów i uk(cid:245)adów, która b(cid:215)dzie spe(cid:245)nia(cid:245)a zapotrzebowania rynku w przysz(cid:245)o(cid:265)ci. W wyniku tych spotka(cid:247) co roku publikowany jest Mi(cid:215)dzynarodowy plan dzia(cid:245)a(cid:247) w sprawie pó(cid:245)przewodników (ITRS), w którym wyznaczane s(cid:199) cele i wymieniane problemy. Nie zawiera on rozwi(cid:199)za(cid:247) [1], a jedynie informuje producentów narz(cid:215)dzi produkcyjnych i materia(cid:245)ów, a tak(cid:290)e spo- (cid:245)eczno(cid:265)(cid:201) badaczy o spodziewanych ograniczeniach. Lista tych ogranicze(cid:247) jest zaw- sze d(cid:245)uga, ale innowacyjni in(cid:290)ynierowie, pracuj(cid:199)c samodzielnie lub w zespo(cid:245)ach, zawsze znajdowali rozwi(cid:199)zania problemów, które pocz(cid:199)tkowo wydawa(cid:245)y si(cid:215) niemo(cid:290)- liwe do rozwi(cid:199)zania. W tabeli 7.1 przedstawiono pewne historyczne przewidywania, jak równie(cid:290) prze- widywania wymienione w dokumencie ITRS. Akronimem HP oznaczono technolo- gi(cid:215) produkcji procesorów komputerowych o wysokiej wydajno(cid:265)ci, a akronimem LSTP oznaczono technologi(cid:215) produkcji uk(cid:245)adów pobieraj(cid:199)cych ma(cid:245)(cid:199) ilo(cid:265)(cid:201) pr(cid:199)du w trybie czuwania (komponenty takie stosowane s(cid:199) do produkcji np. telefonów komórkowych). Fizyczna d(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) bramki Lg jest w rzeczywisto(cid:265)ci mniejsza od szeroko(cid:265)ci w(cid:215)z(cid:245)a technologicznego. Na przyk(cid:245)ad w przypadku w(cid:215)z(cid:245)a o szeroko(cid:265)ci 90 nm technika litograficzna mo(cid:290)e odwzorowa(cid:201) za pomoc(cid:199) fotorezystu lini(cid:215) o szeroko(cid:265)ci zaledwie 90 nm, ale in(cid:290)ynierowie, przenosz(cid:199)c wzór na linie wykonane z tlenków, a nast(cid:215)p- nie wytrawiaj(cid:199)c je izotropowo za pomoc(cid:199) narz(cid:215)dzia przeznaczonego do suchego trawienia izotropowego (zobacz podrozdzia(cid:245) 3.4), s(cid:199) w stanie zmniejszy(cid:201) szeroko(cid:265)(cid:201) (i grubo(cid:265)(cid:201)) linii tlenku. Zw(cid:215)(cid:290)one linie tlenku mog(cid:199) pe(cid:245)ni(cid:201) funkcj(cid:215) nowej maski podczas wytrawiania nowych wzorów bramek. Niezliczona ilo(cid:265)(cid:201) innowacji wprowa- dzonych przez in(cid:290)ynierów podczas pracy nad kolejnymi w(cid:215)z(cid:245)ami technologicznymi umo(cid:290)liwi(cid:245)a zmniejszanie uk(cid:245)adów scalonych. 7.1.2. Rozci(cid:200)gni(cid:218)ty krzem i inne innowacje W tabeli 7.1 wida(cid:201) gwa(cid:245)towny wzrost pr(cid:199)du Iw(cid:225). Dzieje si(cid:215) tak, gdy(cid:290) wraz z technolo- gi(cid:199) produkcji w(cid:215)z(cid:245)ów o szeroko(cid:265)ci 90 nm wprowadzono równie(cid:290) technologi(cid:215) two- rzenia rozci(cid:199)gni(cid:215)tego krzemu. Ruchliwo(cid:265)(cid:201) elektronów i dziur mo(cid:290)e by(cid:201) zwi(cid:215)kszona (lub zmniejszona) przez ostro(cid:290)ne mechaniczne odkszta(cid:245)canie materia(cid:245)u. Odkszta(cid:245)- cenia zmieniaj(cid:199) sta(cid:245)(cid:199) sieciow(cid:199) kryszta(cid:245)u krzemu, a wi(cid:215)c modyfikuj(cid:199) tak(cid:290)e zale(cid:290)- no(cid:265)(cid:201) pomi(cid:215)dzy parametrami E i k (wynika to z równania falowego Schrödingera). Zale(cid:290)no(cid:265)(cid:201) pomi(cid:215)dzy parametrami E i k wp(cid:245)ywa na mas(cid:215) efektywn(cid:199) i ruchliwo(cid:265)(cid:201). Na przyk(cid:245)ad ruchliwo(cid:265)(cid:201) powierzchniowa charakteryzuj(cid:199)ca tranzystor PFET mo(cid:290)e zosta(cid:201) zwi(cid:215)kszona, gdy jego kana(cid:245) zostanie odkszta(cid:245)cony w wyniku (cid:265)ci(cid:265)ni(cid:215)cia. Tego typu odkszta(cid:245)cenie mo(cid:290)na uzyska(cid:201) na kilka sposobów. Jeden z nich zosta(cid:245) przed- stawiony na rysunku 7.1. Po zdefiniowaniu bramki w krzemie znajduj(cid:199)cym si(cid:215) w jej Poleć książkęKup książkę Rozdzia(cid:239) 7. (cid:120) Tranzystory MOSFET w uk(cid:239)adach scalonych 337 TABELA 7.1. Skalowanie technologii od 90 nm do 22 nm i innowacje, które to umo(cid:285)liwi(cid:239)y Rok produkcji W(cid:215)ze(cid:245) technologiczny (nm) Lg (nm) (HP/LSTP) EOTe(nm) (HP/LSTP) UDD (HP/LSTP) Iw(cid:225), HP ((cid:119)A/(cid:119)m) Iwy(cid:225), HP ((cid:119)A/(cid:119)m) Iw(cid:225), LSTP ((cid:119)A/(cid:119)m) Iwy(cid:225), LSTP ((cid:119)A/(cid:119)m) Innowacje 2003 90 37 – 65 1,9 – 2,8 1,2 – 1,2 1100 0,15 440 2005 65 26 – 45 1,8 – 2,5 1,1 – 1,1 1210 0,34 465 1E-5 1E-5 (cid:111) Rozci(cid:199)gni(cid:215)ty krzem 2007 45 22 – 37 1,2 – 1,9 1,0 – 1,1 1500 0,61 540 3E-5 2010 2013 32 22 16 – 25 13 – 20 0,9 – 1,6 0,9 – 1,4 1,0 – 1,0 0,9 – 0,9 1820 0,84 540 3E-5 2200 0,37 540 2E-5 (cid:111)Wysoki parametr k, metalowa bramka (cid:111) Mokra litografia (cid:111) Nowa struktura Legenda: HP — technologia wysokiej wydajno(cid:265)ci; LSTP — technologia produkcji uk(cid:245)adów pobieraj(cid:199)cych pr(cid:199)d o ma(cid:245)ym nat(cid:215)(cid:290)eniu w trybie oczekiwania; EOTe — zast(cid:215)pcza elektryczna grubo(cid:265)(cid:201) warstwy tlenku (jest to ekwiwalent Toxe); Iw(cid:225) — nat(cid:215)(cid:290)enie pr(cid:199)du Iw(cid:225) tranzystora NFET. RYSUNEK 7.1. Przyk(cid:245)ad tranzystora MOSFET wyprodukowanego w technologii rozci(cid:199)gni(cid:215)tego krzemu; ruchliwo(cid:265)(cid:201) dziur mo(cid:290)e by(cid:201) zwi(cid:215)kszona poprzez odkszta(cid:245)cenie wywo(cid:245)ane (cid:265)ciskaniem, co zosta(cid:245)o symbolicznie oznaczone strza(cid:245)kami (cid:265)ciskaj(cid:199)cymi obszar kana(cid:245)u s(cid:199)siedztwie wytrawiane s(cid:199) zag(cid:245)(cid:215)bienia. Wy(cid:290)(cid:245)obienia te s(cid:199) wype(cid:245)nione w procesie osadzania warstwy epitaksjalnej (zobacz punkt 3.7.3) za pomoc(cid:199) stopu SiGe, zwy- kle sk(cid:245)adaj(cid:199)cego si(cid:215) w 20 z Ge i w 80 z Si. Atomy Ge s(cid:199) wi(cid:215)ksze od atomów Si, a w efekcie osadzania warstwy epitaksjalnej w wy(cid:290)(cid:245)obieniu umieszczana jest liczba atomów równa liczbie atomów wcze(cid:265)niej usuni(cid:215)tych z wy(cid:290)(cid:245)obienia — wi(cid:215)ksze ele- menty s(cid:199) wciskane do zbyt ma(cid:245)ego zag(cid:245)(cid:215)bienia. W wyniku tego powstaje si(cid:245)a rozpy- chaj(cid:199)ca obszar kana(cid:245)u (zobacz rysunek 7.1) i zwi(cid:215)kszaj(cid:199)ca ruchliwo(cid:265)(cid:201) dziur. Ponadto Poleć książkęKup książkę 338 Pó(cid:239)przewodniki. Nowoczesne rozwi(cid:200)zania w uk(cid:239)adach scalonych warto jest wprowadzi(cid:201) do samego kana(cid:245)u cienk(cid:199) warstw(cid:215) Ge, poniewa(cid:290) materia(cid:245) ten charakteryzuje si(cid:215) wy(cid:290)sz(cid:199) ruchliwo(cid:265)ci(cid:199) no(cid:265)ników ni(cid:290) krzem [3]. W tabeli 7.1 uj(cid:215)to parametr EOTe, czyli zast(cid:215)pcz(cid:199) elektryczn(cid:199) grubo(cid:265)(cid:201) war- stwy tlenku. Jest on sum(cid:199) grubo(cid:265)ci dielektryka bramki, warstwy zubo(cid:290)enia poli- krystalicznej bramki (o ile takowa warstwa istnieje) i warstwy inwersyjnej, wyra(cid:290)o- n(cid:199) jako grubo(cid:265)(cid:201) ekwiwalentnej warstwy SiO2. Parametr ten znacznie si(cid:215) poprawi(cid:245) (zosta(cid:245) zredukowany) w technologii w(cid:215)z(cid:245)a o szeroko(cid:265)ci 45 nm. Pozwoli(cid:245)o na to zasto- sowanie metalowej bramki i dielektryka charakteryzuj(cid:199)cego si(cid:215) wysokim parame- trem k, co zostanie omówione w podrozdziale 7.4. W przypadku w(cid:215)z(cid:245)a technologicznego o szeroko(cid:265)ci 32 nm do odwzorowania tak ma(cid:245)ych wzorów zastosowano mokr(cid:199) litografi(cid:215) (zobacz punkt 3.3.1). W przypadku w(cid:215)z(cid:245)a technologicznego o szeroko(cid:265)ci 22 nm, w celu zmniejszenia pr(cid:199)du Iwy(cid:225) (roz- wi(cid:199)zania narastaj(cid:199)cego problemu zbytniego poboru pr(cid:199)du), mo(cid:290)na tworzy(cid:201) tranzy- story o nowych strukturach. Wybrane struktury tego typu zostan(cid:199) przedstawione w podrozdziale 7.8. 7.2. (cid:120) PR(cid:107)D PODPROGOWY — „WY(cid:146)(cid:107)CZONY” NIE OZNACZA „ZUPE(cid:146)NIE WY(cid:146)(cid:107)CZONY” (cid:120) Szybko(cid:265)(cid:201) dzia(cid:245)ania obwodu wzrasta wraz ze wzrostem pr(cid:199)du Iw(cid:225). W zwi(cid:199)zku z tym warto jest zmniejsza(cid:201) napi(cid:215)cie Ut. Czy mo(cid:290)liwe jest osi(cid:199)gni(cid:215)cie dowolnie niskiego napi(cid:215)cia Ut, osi(cid:199)gaj(cid:199)cego warto(cid:265)(cid:201) np. 10 mV? Nie. Gdy Ugs Ut, tranzystor MOSFET z kana(cid:245)em typu n jest w trybie wy(cid:245)(cid:199)czenia. Nawet w tym stanie mo(cid:290)e dochodzi(cid:201) do przep(cid:245)ywu pr(cid:199)du up(cid:245)ywu pomi(cid:215)dzy drenem a (cid:288)ród(cid:245)em. Pr(cid:199)d p(cid:245)yn(cid:199)cy przez tranzystor MOSFET, gdy Ugs Ut, okre(cid:265)lamy mianem pr(cid:199)du podprogowego. Jest to g(cid:245)ówny sk(cid:245)adnik pr(cid:199)du wy(cid:245)(cid:199)czenia tranzystora MOSFET (Iwy(cid:225)). Pr(cid:199)d Iwy(cid:225) jest pr(cid:199)dem Is mierzonym przy napi(cid:215)ciu Ugs = 0 i Uds = Udd. Utrzymanie jak najni(cid:290)szego pr(cid:199)du Iwy(cid:225) jest konieczne w celu zminimalizowania sta- tycznej mocy pobieranej przez uk(cid:245)ad w trybie czuwania. Gdyby np. nat(cid:215)(cid:290)enie pr(cid:199)du Iwy(cid:225) tranzystora osi(cid:199)ga(cid:245)o niewielk(cid:199) warto(cid:265)(cid:201) 100 nA, to czip telefonu komórkowego sk(cid:245)adaj(cid:199)cy si(cid:215) ze stu milionów tranzystorów pobiera(cid:245)by pr(cid:199)d o nat(cid:215)(cid:290)eniu 10 A nawet w trybie czuwania. Akumulator telefonu zosta(cid:245)by przez taki uk(cid:245)ad roz(cid:245)adowany w ci(cid:199)gu zaledwie kilku minut bez prowadzenia rozmowy przez u(cid:290)ytkownika. Pro- cesor komputera sk(cid:245)adaj(cid:199)cy si(cid:215) z jeszcze wi(cid:215)kszej liczby takich tranzystorów wypro- mieniowywa(cid:245)by jeszcze wi(cid:215)cej ciep(cid:245)a, co spowodowa(cid:245)oby k(cid:245)opoty z ch(cid:245)odzeniem samego procesora, jak równie(cid:290) ca(cid:245)ego systemu. Na rysunku 7.2a zaprezentowano wykres pr(cid:199)du podprogowego. Na wykresie tym pokazano na skali pó(cid:245)logarytmicznej zale(cid:290)no(cid:265)(cid:201) pr(cid:199)du Ids od napi(cid:215)cia Ugs. Wykres nat(cid:215)(cid:290)enia pr(cid:199)du Ids jest lini(cid:199) prost(cid:199), gdy napi(cid:215)cie Ugs jest ni(cid:290)sze od Ut (pr(cid:199)d Ids jest wtedy wyk(cid:245)adnicz(cid:199) funkcj(cid:199) napi(cid:215)cia Ugs). Poleć książkęKup książkę Rozdzia(cid:239) 7. (cid:120) Tranzystory MOSFET w uk(cid:239)adach scalonych 339 RYSUNEK 7.2. Gdy Ugs Ut, przez tranzystor przep(cid:245)ywa pr(cid:199)d podprogowy; Ut ~ 0,2 V; wy(cid:290)sza krzywa dotyczy Uds = 50 mV, a ni(cid:290)sza Uds = 1,2 V ((cid:288)ród(cid:245)o: [2]); (b) gdy napi(cid:215)cie Ug wzrasta, poziom Ec powierzchni zbli(cid:290)a si(cid:215) do poziomu EF, powoduj(cid:199)c wzrost ns i Ids; (c) sie(cid:201) pojemno(cid:265)ci zast(cid:215)pczej; (d) charakterystyki pr(cid:199)dowo-napi(cid:215)ciowe przy napi(cid:215)ciu Ut i nat(cid:215)(cid:290)eniu Iwy(cid:225) (wahanie oznaczone liter(cid:199) S jest odwrotno(cid:265)ci(cid:199) nachylenia wykresu w obszarze podprogowym) Poleć książkęKup książkę 340 Pó(cid:239)przewodniki. Nowoczesne rozwi(cid:200)zania w uk(cid:239)adach scalonych Na rysunkach 7.2b – 7.2d wyja(cid:265)niono zagadnienie dotycz(cid:199)ce pr(cid:199)du podprogo- wego. Gdy napi(cid:215)cie Ugs jest ni(cid:290)sze od Ut, koncentracja elektronów inwersyjnych (ns) jest ma(cid:245)a, ale umo(cid:290)liwia przep(cid:245)yw niewielkiego pr(cid:199)du up(cid:245)ywu pomi(cid:215)dzy (cid:288)ród(cid:245)em i drenem. Na rysunku 7.2b wy(cid:290)sze napi(cid:215)cie Ugs spowoduje przesuni(cid:215)cie powierzch- niowego poziomu Ec w stron(cid:215) poziomu EF, co wywo(cid:245)a wzrost koncentracji ns i pr(cid:199)du Ids. Na przyk(cid:245)adzie schematu obwodu zast(cid:215)pczego, który przedstawiono na rysunku 7.2c, mo(cid:290)na zauwa(cid:290)y(cid:201), (cid:290)e: d (cid:73) dU (7.2.1) C (cid:123) 1 (cid:75) zub s (cid:32) C oxe C (cid:14) C C Ca(cid:245)kuj(cid:199)c równanie 7.2.1, otrzymamy: (cid:14)(cid:32) 1(cid:75) oxe gs zub oxe (cid:73)s = sta(cid:245)a + Ug / (cid:75) Nat(cid:215)(cid:290)enie pr(cid:199)du Ids jest proporcjonalne do koncentracji ns, a wi(cid:215)c: I ds (cid:118)(cid:118) n s sq (cid:73) / kT e q e (cid:118) (cid:11) sta (cid:225) gUa (cid:14) / (cid:75) (cid:12) kT gqU / (cid:75) kT (cid:118) e Praktyczna i popularna definicja napi(cid:215)cia Ut mówi, (cid:290)e jest to napi(cid:215)cie Ugs, przy którym Ids = 100 nA (cid:117) W/L, co pokazano na rysunku 6.12. (Niektóre firmy, definiu- j(cid:199)c ten parametr, zamiast nat(cid:215)(cid:290)enia 100 nA przyjmuj(cid:199) nat(cid:215)(cid:290)enie 200 nA). Równa- nie 7.2.4 mo(cid:290)e by(cid:201) przedstawione w nast(cid:215)puj(cid:199)cej formie: I ds ( nA ) (cid:32) 100 (cid:152) (cid:11) tUgsUq (cid:16) (cid:12) / kT (cid:75) W L e (cid:152) (7.2.5) Oczywi(cid:265)cie równanie 7.2.5 zgadza si(cid:215) z definicj(cid:199) napi(cid:215)cia Ut i równaniem 7.2.4. Prostota równania 7.2.5 jest kolejnym argumentem przemawiaj(cid:199)cym za now(cid:199) defi- nicj(cid:199) napi(cid:215)cia Ut. W temperaturze pokojowej warto(cid:265)(cid:201) funkcji exp(qUgs/kT) zmienia si(cid:215) o 10 przy ka(cid:290)dej zmianie napi(cid:215)cia Ugs o 60 mV, a wi(cid:215)c warto(cid:265)(cid:201) funkcji exp(qUgs/kT) zmienia si(cid:215) o 10 dla ka(cid:290)dego (cid:536) (cid:117) 60 mV. Je(cid:290)eli np. (cid:536) = 1,5, to wed(cid:245)ug równania 7.2.5 pr(cid:199)d Ids maleje dziesi(cid:215)ciokrotnie przy spadku napi(cid:215)cia Ugs o ka(cid:290)de 90 mV poni(cid:290)ej na- pi(cid:215)cia Ut w temperaturze pokojowej. Warto(cid:265)(cid:201) (cid:536) (cid:117) 60 mV okre(cid:265)lamy mianem waha- nia podprogowego i oznaczamy symbolem S. mV (cid:11) mV/dekad(cid:266) (7.2.6) (cid:152)(cid:32)(cid:75) 60 S (cid:12) (cid:152) (7.2.2) (7.2.3) (7.2.4) I ds ( nA ) (cid:32) 100 (cid:152) (cid:11) tUgsUq (cid:16) (cid:12) kT / (cid:75) (cid:32) 100 e I wy(cid:225) ( nA ) (cid:32) 100 (cid:16) tqU / (cid:75) kT e (cid:152) (cid:32) 100 (cid:152) W L W L (cid:152) K T 300 W L W L (cid:152) (cid:152) (cid:11) tUgsU (cid:16) (cid:12) S / 10 (cid:152) StU / (cid:16) 10 (cid:152) (7.2.7) (7.2.8) Poleć książkęKup książkę Rozdzia(cid:239) 7. (cid:120) Tranzystory MOSFET w uk(cid:239)adach scalonych 341 Na rysunku 7.2 przedstawiono dwa sposoby minimalizacji pr(cid:199)du Ids dla danych parametrów W i L. Pierwszym sposobem jest wybranie du(cid:290)ego napi(cid:215)cia Ut. Nie jest to dobre rozwi(cid:199)zanie, poniewa(cid:290) du(cid:290)e napi(cid:215)cie Ut zmniejsza pr(cid:199)d Iw(cid:225), a wi(cid:215)c zmniej- sza szybko(cid:265)(cid:201) komponentu (zobacz równanie 6.7.1). Lepszym rozwi(cid:199)zaniem jest zredukowanie wahania podprogowego. Parametr S mo(cid:290)e by(cid:201) zmniejszony poprzez redukcj(cid:215) parametru (cid:536). Mo(cid:290)na to zrobi(cid:201), zwi(cid:215)kszaj(cid:199)c pojemno(cid:265)(cid:201) Coxe (zobacz rów- nanie 7.2.2), tj. zmniejszaj(cid:199)c grubo(cid:265)(cid:201) Tox, co powoduje zmniejszenie pojemno(cid:265)ci 1. Kolejnym sposobem na redukcj(cid:215) wahania Czub, a to z kolei powoduje wzrost Wzub podprogowego, a wi(cid:215)c redukcj(cid:215) pr(cid:199)du Iwy(cid:225), jest umieszczenie tranzystora w tempe- raturze o wiele ni(cid:290)szej od temperatury pokojowej. Ta ostatnia metoda jest skuteczna, ale w praktyce rzadko stosowana, gdy(cid:290) ch(cid:245)odzenie uk(cid:245)adu generuje dodatkowe koszty. Poza up(cid:245)ywem podprogowym istnieje jeszcze jeden wa(cid:290)ny sk(cid:245)adnik pr(cid:199)du up(cid:245)ywu. Jest to up(cid:245)yw tunelowy, do którego dochodzi w bardzo cienkich warstwach tlenku bramki. Zagadnienie to zostanie przedstawione w podrozdziale 7.4. Trzecim kom- ponentem pr(cid:199)du up(cid:245)ywu jest up(cid:245)yw pr(cid:199)du, do którego dochodzi pomi(cid:215)dzy drenem a pod(cid:245)o(cid:290)em tranzystora. (cid:120) Skutki obecno(cid:258)ci stanów z(cid:239)(cid:200)cza (cid:120) Obecno(cid:265)(cid:201) stanów z(cid:245)(cid:199)cza powoduje degradacj(cid:215) wahania podprogowego (zobacz podrozdzia(cid:245) 5.7). Na rysunku 7.3 pokazano, (cid:290)e gdy dochodzi do zmiany parametru (cid:73)S, to niektóre pu(cid:245)apki z(cid:245)(cid:199)cza przenosz(cid:199) si(cid:215) znad poziomu Fermiego na poziomy znajduj(cid:199)ce si(cid:215) poni(cid:290)ej (dochodzi równie(cid:290) do odwrotnego ruchu pu(cid:245)apek). W zwi(cid:199)zku z tym puste dot(cid:199)d pu(cid:245)apki s(cid:199) zajmowane przez elektrony. Zmiana napi(cid:215)cia ((cid:73)S) powoduje zmian(cid:215) (cid:245)adunku — zwi(cid:215)kszana jest pojemno(cid:265)(cid:201). Stany z(cid:245)(cid:199)cza powoduj(cid:199) dodanie do uk(cid:245)adu pojemno(cid:265)ci równoleg(cid:245)ej do Czub (zobacz rysunek 7.2c). Wahanie podprogowe jest niewielkie, o ile z(cid:245)(cid:199)cze pó(cid:245)przewodnik-dielektryk nie posiada niskiego zag(cid:215)szczenia stanów z(cid:245)(cid:199)cza (przyk(cid:245)adem takiego z(cid:245)(cid:199)cza mo(cid:290)e by(cid:201) dok(cid:245)adnie przygotowane z(cid:245)(cid:199)cze Si-SiO2). Po wystawieniu tranzystora MOSFET na dzia(cid:245)anie silnych pó(cid:245) elektrycznych i wygenerowaniu nowych stanów z(cid:245)(cid:199)cza zwykle dochodzi do zmniejszenia wahania podpro- gowego (zobacz ramka w podrozdziale 5.7). 1 Zgodnie z równaniami 6.5.2 i 7.2.2 parametry (cid:536) i m powinny by(cid:201) sobie równe. W rze- czywisto(cid:265)ci (cid:536) jest wi(cid:215)ksze od m, poniewa(cid:290) przy niskim napi(cid:215)ciu Ugs (warunek podprogowy) pojemno(cid:265)(cid:201) Coxe jest mniejsza ni(cid:290) w warunkach inwersyjnych; dzieje si(cid:215) tak z powodu wi(cid:215)k- szej warto(cid:265)ci Tinw, co pokazano na rysunku 5.25. Niezale(cid:290)nie od tego parametry (cid:536) i m s(cid:199) ze sob(cid:199) (cid:265)ci(cid:265)le zwi(cid:199)zane. Poleć książkęKup książkę 342 Pó(cid:239)przewodniki. Nowoczesne rozwi(cid:200)zania w uk(cid:239)adach scalonych RYSUNEK 7.3. (A) Wi(cid:215)kszo(cid:265)(cid:201) stanów z(cid:245)(cid:199)cza jest pusta, poniewa(cid:290) znajduje si(cid:215) powy(cid:290)ej EF; (b) przy innym napi(cid:215)ciu Ug wi(cid:215)kszo(cid:265)(cid:201) stanów z(cid:245)(cid:199)cza jest wype(cid:245)niona elektronami, w zwi(cid:199)zku z tym g(cid:215)sto(cid:265)(cid:201) (cid:245)adunku z(cid:245)(cid:199)cza zmienia si(cid:215) wraz ze zmian(cid:199) napi(cid:215)cia Ug Przyk(cid:239)ad 7.1. Pr(cid:200)d up(cid:239)ywu podprogowego Tranzystor z kana(cid:245)em typu n charakteryzuje si(cid:215) nast(cid:215)puj(cid:199)cymi parametrami: Ut = 0,34 V, S = 85 mV, W = 10 (cid:80)m i L = 50 nm. (a) Oszacuj pr(cid:199)d Iwy(cid:225). (b) Oszacuj pr(cid:199)d Ids przy napi(cid:215)ciu Ug = 0,17 V. ROZWI(cid:107)ZANIE: a. Skorzystaj z równania 7.2.6. W L 10 050 , 100 100 nA ) nA (cid:16) StU / 10 10 (cid:16) 340 , / 0 , 085 (cid:32) 2 (cid:32) I wy(cid:225) ( (cid:152) (cid:32) (cid:152) (cid:152) (cid:152) b. Skorzystaj z równania 7.2.7. I ds (cid:32) 100 (cid:152) W L (cid:11) tUgU (cid:16) (cid:12) / S 10 (cid:152) (cid:32) 100 (cid:152) 10 05,0 17,0 (cid:16) 34,0 (cid:12) ,0/ 085 (cid:11) 10 (cid:152) (cid:32) 200 nA 7.3. (cid:120) SPADEK WZMOCNIENIA NAPI(cid:125)CIA UT — TRANZYSTORY MOSFET O KRÓTKICH KANA(cid:146)ACH CHARAKTERYZUJ(cid:107) SI(cid:125) WI(cid:125)KSZYM PR(cid:107)DEM UP(cid:146)YWU (cid:120) W poprzednim podrozdziale stwierdzi(cid:245)em, (cid:290)e napi(cid:215)cie Ut nie mo(cid:290)e by(cid:201) zbyt niskie, poniewa(cid:290) pr(cid:199)d Iwy(cid:225) b(cid:215)dzie wtedy zbyt wysoki. W tym podrozdziale rozszerz(cid:215) to zagad- nienie i wyka(cid:290)(cid:215), (cid:290)e d(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) kana(cid:245)u (L) nie mo(cid:290)e przyjmowa(cid:201) zbyt niskich warto(cid:265)ci. Dzieje si(cid:215) tak, gdy(cid:290) malej(cid:199)cy parametr L powoduje spadek napi(cid:215)cia Ut, co pokazano na rysunku 7.4. Zbyt du(cid:290)y spadek napi(cid:215)cia Ut powoduje zbyt du(cid:290)y wzrost pr(cid:199)du Iwy(cid:225), a wi(cid:215)c zbyt krótki kana(cid:245) nie jest czym(cid:265) po(cid:290)(cid:199)danym. Poleć książkęKup książkę Rozdzia(cid:239) 7. (cid:120) Tranzystory MOSFET w uk(cid:239)adach scalonych 343 (cid:120) D(cid:239)ugo(cid:258)(cid:202) bramki (Lg) a skuteczna elektryczna d(cid:239)ugo(cid:258)(cid:202) kana(cid:239)u (L) (cid:120) D(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) bramki jest fizyczn(cid:199) d(cid:245)ugo(cid:265)ci(cid:199) bramki i mo(cid:290)e zosta(cid:201) dok(cid:245)adnie zmierzona za pomoc(cid:199) elektronowego mikroskopu skaningowego. D(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) ta jest precyzyjnie okre(cid:265)lana podczas produk- cji. Natomiast d(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) kana(cid:245)u nie mo(cid:290)e by(cid:201) (cid:245)atwo okre(cid:265)lona z du(cid:290)(cid:199) dok(cid:245)adno(cid:265)ci(cid:199) z powodu bocznej dyfuzji z(cid:245)(cid:199)czy (cid:288)ród(cid:245)a i drenu. Parametry L i Lg s(cid:199) ze sob(cid:199) powi(cid:199)zane, ale ró(cid:290)nica pomi(cid:215)dzy nimi nie mo(cid:290)e by(cid:201) dok(cid:245)adnie okre(cid:265)lona pomimo wysi(cid:245)ków takich jak te, które przed- stawiono w podrozdziale 6.11. W zwi(cid:199)zku z tym parametr Lg jest cz(cid:215)sto stosowany w prezenta- cji danych zamiast parametru L — przyk(cid:245)adem tego jest rysunek 7.4. Parametr L, mimo (cid:290)e nie mo(cid:290)e by(cid:201) dok(cid:245)adnie zmierzony w przypadku ma(cid:245)ych tranzystorów, jest przydatnym zagadnie- niem teoretycznym. RYSUNEK 7.4. Warto(cid:265)(cid:201) |Ut| przy bardzo ma(cid:245)ych d(cid:245)ugo(cid:265)ciach Lg — zjawisko to, nazywane spadkiem wzmocnienia napi(cid:215)cia Ut, okre(cid:265)la minimaln(cid:199) akceptowaln(cid:199) d(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) Lg, poniewa(cid:290) zbyt niskie napi(cid:215)cie Ut lub zbytni wp(cid:245)yw d(cid:245)ugo(cid:265)ci Lg na napi(cid:215)cie Ut powoduje wyst(cid:199)pienie zbyt wysokiego nat(cid:215)(cid:290)enia pr(cid:199)du Iwy(cid:225) Przy pewnej d(cid:245)ugo(cid:265)ci Lg napi(cid:215)cie Ut staje si(cid:215) zbyt niskie, a nat(cid:215)(cid:290)enie pr(cid:199)du Iwy(cid:225) zbyt wysokie (zobacz równanie 7.2.8). Dodawanie do pod(cid:245)o(cid:290)y tranzystorów o krót- kim kanale wi(cid:215)kszej ilo(cid:265)ci domieszek ni(cid:290) do pod(cid:245)o(cid:290)y innych tranzystorów mo(cid:290)e spowodowa(cid:201) wzrost napi(cid:215)cia Ut, jednak(cid:290)e wci(cid:199)(cid:290) przy pewnej d(cid:245)ugo(cid:265)ci Lg napi(cid:215)cie Ut jest tak wra(cid:290)liwe na zmian(cid:215) d(cid:245)ugo(cid:265)ci L spowodowan(cid:199) procesami produkcji, (cid:290)e Iwy(cid:225) osi(cid:199)ga warto(cid:265)ci nieakceptowalne. In(cid:290)ynierowie projektuj(cid:199)c tranzystory, musz(cid:199) dba(cid:201) o to, aby spadek napi(cid:215)cia Ut nie uniemo(cid:290)liwi(cid:245) zastosowania docelowej mini- malnej d(cid:245)ugo(cid:265)ci Lg, tj. warto(cid:265)ci wymienionej w drugim rz(cid:215)dzie tabeli 7.1. Dlaczego spadek d(cid:245)ugo(cid:265)ci L wywo(cid:245)uje spadek napi(cid:215)cia Ut? Na rysunku 7.5 przed- stawiono model umo(cid:290)liwiaj(cid:199)cy zrozumienie tej zale(cid:290)no(cid:265)ci. Na rysunku 7.5a zapre- zentowano energetyczny model pasmowy z(cid:245)(cid:199)cza pó(cid:245)przewodnik-izolator kompo- nentu o d(cid:245)ugim kanale przy napi(cid:215)ciu Ugs = 0 V. Na rysunku 7.5b pokazano sytuacj(cid:215), w której Ugs = Ut. W tym drugim przypadku poziom Ec kana(cid:245)u jest ni(cid:290)szy ni(cid:290) na Poleć książkęKup książkę 344 Pó(cid:239)przewodniki. Nowoczesne rozwi(cid:200)zania w uk(cid:239)adach scalonych RYSUNEK 7.5. (a) – (d) Energetyczny model pasmowy (cid:288)ród(cid:245)o-dren przy Ugs = 0 V i Ugs = Ut; rysunki (a) i (b) dotycz(cid:199) d(cid:245)ugiego kana(cid:245)u, a (c) i (d) krótkiego kana(cid:245)u rysunku (a) — znajduje si(cid:215) on bli(cid:290)ej poziom Ec (cid:288)ród(cid:245)a. Gdy Ec kana(cid:245)u osi(cid:199)gnie poziom o ~0,2 eV wy(cid:290)szy od Ec (cid:288)ród(cid:245)a (warto(cid:265)(cid:201) ta jest zbli(cid:290)ona do EFn), to parametr ns kana(cid:245)u osi(cid:199)ga warto(cid:265)(cid:201) ~1017 cm3 i spe(cid:245)niony jest warunek progu inwersji (Ids = 100 nA (cid:117) W/L). Mo(cid:290)na powiedzie(cid:201), (cid:290)e bariera potencja(cid:245)u 0,2 eV jest na tyle niska, aby umo(cid:290)liwi(cid:201) przep(cid:245)yw elektronów ze (cid:288)ród(cid:245)a (n+) do kana(cid:245)u, gdzie elektrony te utworz(cid:199) warstw(cid:215) inwersyjn(cid:199). W zrozumieniu poj(cid:215)cia wysoko(cid:265)ci bariery energetycznej mo(cid:290)e pomóc nast(cid:215)puj(cid:199)ca analogia: (cid:288)ród(cid:245)o jest jak rezerwuar wody, a bariera potencja(cid:245)u jest jak tama. Napi(cid:215)cie Ugs okre(cid:265)la wysoko(cid:265)(cid:201) tamy. Gdy napi(cid:215)cie Ugs jest wystarczaj(cid:199)co wysokie, to tama jest na tyle niska, aby pozwoli(cid:201) na przep(cid:245)yw wody do kana(cid:245)u i drenu. W ten sposób definiowane jest napi(cid:215)cie Ut. Na rysunku 7.5c pokazano przypadek tranzystora o krótkim kanale przy Ugs = 0. Gdy kana(cid:245) jest wystarczaj(cid:199)co krótki, to parametr Ec nie osi(cid:199)gnie warto(cid:265)ci szczyto- wej pokazanej na rysunku 7.5a. W zwi(cid:199)zku z tym do obni(cid:290)enia bariery do poziomu 0,2 eV w przypadku przedstawionym na rysunku 7.5d wymagane jest ni(cid:290)sze napi(cid:215)- cie Ugs ni(cid:290) w przypadku zaprezentowanym na rysunku 7.5b. Innymi s(cid:245)owy, napi(cid:215)cie Ut w tranzystorach o krótkim kanale jest ni(cid:290)sze ni(cid:290) w tranzystorach o d(cid:245)ugim kanale. Wyja(cid:265)nia to spadek wzmocnienia napi(cid:215)cia Ut pokazany na rysunku 7.4. Napi(cid:215)cie Ut mo(cid:290)na równie(cid:290) przedstawi(cid:201) w inny sposób. Na rysunku 7.6 wida(cid:201) kondensator umieszczony pomi(cid:215)dzy bramk(cid:199) i kana(cid:245)em. Na rysunku tym znajduje si(cid:215) równie(cid:290) drugi kondensator (Cd), umieszczony pomi(cid:215)dzy drenem i kana(cid:245)em (jeden z biegunów kondensatora jest umiejscowiony w po(cid:245)owie d(cid:245)ugo(cid:265)ci kana(cid:245)u — tam, gdzie na rysunku 7.5d znajduje si(cid:215) szczytowa warto(cid:265)(cid:201) Ec). D(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) kana(cid:245)u jest zre- Poleć książkęKup książkę Rozdzia(cid:239) 7. (cid:120) Tranzystory MOSFET w uk(cid:239)adach scalonych 345 RYSUNEK 7.6. Schemat uk(cid:245)adu dwóch kondensatorów w tranzystorze MOSFET; pojemno(cid:265)(cid:201) Cd symbolizuje elektrostatyczne sprz(cid:215)(cid:290)enie pomi(cid:215)dzy kana(cid:245)em a drenem; wraz z redukcj(cid:199) d(cid:245)ugo(cid:265)ci kana(cid:245)u redukowana jest równie(cid:290) odleg(cid:245)o(cid:265)(cid:201) pomi(cid:215)dzy drenem a kana(cid:245)em, a wi(cid:215)c dochodzi do zwi(cid:215)kszenia pojemno(cid:265)ci Cd dukowana, a wi(cid:215)c zredukowane s(cid:199) tak(cid:290)e odleg(cid:245)o(cid:265)ci pomi(cid:215)dzy drenem i (cid:288)ród(cid:245)em oraz pomi(cid:215)dzy drenem a kana(cid:245)em. W zwi(cid:199)zku z tym zwi(cid:215)kszona jest pojemno(cid:265)(cid:201) Cd. Nie przejmuj si(cid:215) dok(cid:245)adn(cid:199) definicj(cid:199) parametru Cd. Na razie przyjmij, (cid:290)e Cd jest pojem- no(cid:265)ciowym sprz(cid:215)(cid:290)eniem pomi(cid:215)dzy (cid:288)ród(cid:245)em a punktem bariery kana(cid:245)u. Na przyk(cid:245)adzie uk(cid:245)adu zast(cid:215)pczego sk(cid:245)adaj(cid:199)cego si(cid:215) z dwóch kondensatorów wida(cid:201), (cid:290)e poziom napi(cid:215)cia drenu wp(cid:245)ywa na potencja(cid:245) kana(cid:245)u podobnie jak napi(cid:215)- cie bramki. Wysoko(cid:265)(cid:201) bariery potencja(cid:245)u pokazana na rysunku 7.5 zale(cid:290)y od obu parametrów: Ugs i Uds. Gdy obecne jest napi(cid:215)cie Uds, to ni(cid:290)sze napi(cid:215)cie Ugs jest wyma- gane do obni(cid:290)enia bariery do poziomu 0,2 eV — w zwi(cid:199)zku z tym napi(cid:215)cie Ut jest ni(cid:290)sze z definicji. Korzystaj(cid:199)c z tych zale(cid:290)no(cid:265)ci, mo(cid:290)na utworzy(cid:201) prosty wzór na spadek wzmocnienia napi(cid:215)cia Ut: UU U d (cid:16) (cid:152) ds (cid:32) t dt (cid:16) (cid:225) ugi C C oxe (7.3.1) (7.3.2) gdzie Ut-d(cid:225)ugi jest napi(cid:215)ciem progowym tranzystora o d(cid:245)ugim kanale, w którym pojem- no(cid:265)(cid:201) Cd = 0. Gdyby(cid:265)my chcieli uzyska(cid:201) dok(cid:245)adniejszy wynik, to napi(cid:215)cie Uds powin- ni(cid:265)my zast(cid:199)pi(cid:201) sta(cid:245)(cid:199) opisuj(cid:199)c(cid:199) wp(cid:245)yw wbudowanego potencja(cid:245)u 0,2 V pomi(cid:215)dzy warstw(cid:199) inwersyjn(cid:199) n– i drenem n+, a tak(cid:290)e (cid:288)ród(cid:245)em w warunkach progowych [4]. UU (cid:32) t (cid:11) U (cid:16) ds (cid:14) V, 40 (cid:12) (cid:152) dt (cid:16) (cid:225) ugi d C C oxe Z rysunku 7.6 mo(cid:290)na wywnioskowa(cid:201), (cid:290)e pojemno(cid:265)(cid:201) Cd spada wraz ze wzrostem d(cid:245)ugo(cid:265)ci L. Przypominam, (cid:290)e pojemno(cid:265)(cid:201) wzrasta, gdy dwie elektrody s(cid:199) do siebie zbli(cid:290)ane. Wspomniany wcze(cid:265)niej wniosek jest prawdziwy w przypadku dwuwy- miarowej geometrii rysunku 7.6. Jednak(cid:290)e rozwi(cid:199)zanie równania Poissona (zobacz punkt 4.1.3) wskazuje, (cid:290)e w tej dwuwymiarowej strukturze pojemno(cid:265)(cid:201) Cd jest wyk(cid:245)ad- nicz(cid:199) funkcj(cid:199) d(cid:245)ugo(cid:265)ci L [5]. W zwi(cid:199)zku z tym: UU (cid:32) t (cid:11) U (cid:16) ds (cid:14) V, 40 (cid:12) (cid:152) e (cid:16) dlL / dt (cid:16) (cid:225) ugi (7.3.3) Poleć książkęKup książkę 346 Pó(cid:239)przewodniki. Nowoczesne rozwi(cid:200)zania w uk(cid:239)adach scalonych gdzie l (cid:118) d 3 XWT oxe zub j (7.3.4) Xj jest g(cid:245)(cid:215)boko(cid:265)ci(cid:199) z(cid:245)(cid:199)cza drenu. Równanie 7.3.3 prezentuje w po(cid:245)owie ilo(cid:265)ciowy model spadku wzmocnienia napi(cid:215)cia Ut jako parametru zale(cid:290)nego od L i Uds. Model ten mo(cid:290)e by(cid:201) pomocny przy projektowaniu ma(cid:245)ych tranzystorów MOSFET, a tak(cid:290)e przy poznawaniu struktur nowych tranzystorów. Spadek wzmocnienia jest wyk(cid:245)ad- nicz(cid:199) funkcj(cid:199) parametru L. Spadek wzmocnienia jest równie(cid:290) wi(cid:215)kszy przy wy(cid:290)- szym napi(cid:215)ciu Uds, które mo(cid:290)e osi(cid:199)ga(cid:201) maksymaln(cid:199) warto(cid:265)(cid:201) równ(cid:199) Udd. Za pomoc(cid:199) równania 7.2.8, na podstawie akceptowalnego nat(cid:215)(cid:290)enia pr(cid:199)du Iwy(cid:225), mo(cid:290)na okre(cid:265)li(cid:201) parametr Uds, na bazie którego, korzystaj(cid:199)c z równania 7.3.3, mo(cid:290)na okre(cid:265)li(cid:201) mini- maln(cid:199) akceptowaln(cid:199) d(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) L. Minimalna akceptowalna d(cid:245)ugo(cid:265)(cid:201) L jest kilkakrotnie wi(cid:215)ksza od ld. Zjawisko obni(cid:290)ania bariery (cid:288)ród(cid:245)o-kana(cid:245) i redukcji napi(cid:215)cia Ut za pomoc(cid:199) drenu okre(cid:265)lamy mianem obni(cid:290)ania wysoko(cid:265)ci bariery indukowanego przez dren (DIBL). Parametr ld mo(cid:290)na okre(cid:265)li(cid:201) mianem d(cid:245)ugo(cid:265)ci charakterystycznej DIBL. W celu zredukowania d(cid:245)ugo(cid:265)ci L w ka(cid:290)dym kolejnym w(cid:215)(cid:288)le technologicznym para- metr ld musi by(cid:201) redukowany proporcjonalnie do L. Oznacza to konieczno(cid:265)(cid:201) redukcji parametrów Tox, Wzub i (lub) Xj. W rzeczywisto(cid:265)ci w ka(cid:290)dym kolejnym w(cid:215)(cid:288)le tech- nologicznym dochodzi do redukcji wszystkich trzech parametrów, co ma na celu redukcj(cid:215) d(cid:245)ugo(cid:265)ci ld. Redukcja Tox powoduje wzrost pojemno(cid:265)ci bramki Coxe. Reduk- cja Xj powoduje zmniejszenie pojemno(cid:265)ci Cd poprzez redukcj(cid:215) rozmiaru elektrody drenu. Redukcja Wzub równie(cid:290) przyczynia si(cid:215) do zmniejszenia pojemno(cid:265)ci Cd poprzez tworzenie obszaru neutralnego znajduj(cid:199)cego si(cid:215) w dolnej cz(cid:215)(cid:265)ci obszaru zubo(cid:290)o- nego, który ekranuje elektrostatycznie kana(cid:245), oddzielaj(cid:199)c go drenu. Z równania 7.3.4 mo(cid:290)na wyci(cid:199)gn(cid:199)(cid:201) nast(cid:215)puj(cid:199)cy wniosek: pionowe wymiary tran- zystora MOSFET (Tox, Wzub i Xj) musz(cid:199) zosta(cid:201) zredukowane w celu redukcji d(cid:245)ugo(cid:265)ci bramki. Jako przyk(cid:245)ad na rysunku 7.7 pokazano, (cid:290)e grubo(cid:265)(cid:201) warstwy tlenku by(cid:245)a skalowana proporcjonalnie do szeroko(cid:265)ci linii (d(cid:245)ugo(cid:265)ci bramki). RYSUNEK 7.7. W przesz(cid:245)o(cid:265)ci grubo(cid:265)(cid:201) warstwy tlenku by(cid:245)a skalowana proporcjonalnie do szeroko(cid:265)ci linii Poleć książkęKup książkę Rozdzia(cid:239) 7. (cid:120) Tranzystory MOSFET w uk(cid:239)adach scalonych 347 7.4. (cid:120) REDUKCJA GRUBO(cid:165)CI ELEKTRYCZNEJ IZOLACJI BRAMKI I UP(cid:146)YW TUNELOWY (cid:120) SiO2 jest preferowanym izolatorem bramki od pocz(cid:199)tku produkcji krzemowych tranzystorów MOSFET. W ci(cid:199)gu wielu lat uda(cid:245)o si(cid:215) zredukowa(cid:201) grubo(cid:265)(cid:201) warstwy tlenku od 300 nm w technologii 10 (cid:80)m do zaledwie 1,2 nm w technologii 65 nm. Grubo(cid:265)(cid:201) ta jest stale redukowana z dwóch powodów. Po pierwsze cie(cid:247)sza warstwa tlenku, tj. wy(cid:290)sza pojemno(cid:265)(cid:201) Cox, zwi(cid:215)ksza pr(cid:199)d Iw(cid:225), a wy(cid:290)szy pr(cid:199)d Iw(cid:225) umo(cid:290)liwia szybsz(cid:199) prac(cid:215) uk(cid:245)adu (zobacz równanie 6.7.1). Po drugie cie(cid:247)sza warstwa tlenku umo(cid:290)liwia lepsz(cid:199) kontrol(cid:215) spadku wzmocnienia napi(cid:215)cia Ut (a wi(cid:215)c równie(cid:290) i up(cid:245)ywu podprogowego) przy mniejszej d(cid:245)ugo(cid:265)ci L (wed(cid:245)ug równa(cid:247) 7.3.3 i 7.3.4). Drugi z wymienionych powodów jest bardzo wa(cid:290)ny. Na rysunku 7.7 pokazano, (cid:290)e grubo(cid:265)(cid:201) warstwy tlenku by(cid:245)a zmniejszana proporcjonalnie do szeroko(cid:265)ci linii. In(cid:290)ynierowie d(cid:199)(cid:290)(cid:199) do produkcji cie(cid:247)szych warstw tlenku. Co powstrzymuje ich przed stosowaniem dowolnie cienkich warstw tlenku? Produkcja cienkich warstw tlenku nie jest (cid:245)atwa, ale jak pokazano na rysunku 6.5, mo(cid:290)liwe jest tworzenie bar- dzo cienkich i jednorodnych warstw tlenku bramki. Kolejnym ograniczaj(cid:199)cym czynnikiem jest przebicie warstwy tlenku. Przy zbyt cienkiej warstwie tlenku silne pole elektryczne mo(cid:290)e doprowadzi(cid:201) do szkodliwego przebicia (zobacz ramka „Pole elektryczne przebicia SiO2”). Kolejnym ograniczaj(cid:199)cym czynnikiem jest to, (cid:290)e pod- czas d(cid:245)ugiej pracy w polu o du(cid:290)ej mocy, a zw(cid:245)aszcza podczas pracy czipa przy pod- wy(cid:290)szonej temperaturze, dochodzi do przerwania s(cid:245)abszych wi(cid:199)za(cid:247) chemicznych z(cid:245)(cid:199)cza Si-SiO2, w wyniku czego powstaje (cid:245)adunek tlenku i dochodzi do zmiany napi(cid:215)- cia Ut (zobacz podrozdzia(cid:245) 5.7). Zmiana napi(cid:215)cia Ut powoduje zmian(cid:215) charaktery- styk uk(cid:245)adu i zak(cid:245)óca jego prac(cid:215). W warstwach SiO2 cie(cid:247)szych ni(cid:290) 1,5 nm najbardziej ograniczaj(cid:199)cym czynnikiem jest up(cid:245)yw tunelowy. Up(cid:245)yw pr(cid:199)du bramki przez tunelowanie (zobacz podrozdzia(cid:245) 4.20) pokazano na rysunku 7.8a. Elektrony docieraj(cid:199) do bariery tlenku bramki z pr(cid:215)dko- (cid:265)ci(cid:199) termiczn(cid:199), a prawdopodobie(cid:247)stwo tego, (cid:290)e dostan(cid:199) si(cid:215) na drug(cid:199) stron(cid:215) bramki, opisuje równanie 4.20.1. Zjawisko to jest przyczyn(cid:199) pr(cid:199)du up(cid:245)ywu bramki. Na rysunku 7.8b pokazano, (cid:290)e wyk(cid:245)adniczy wzrost pr(cid:199)du up(cid:245)ywu SiO2 wraz ze zmniej- szaniem si(cid:215) grubo(cid:265)ci zgadza si(cid:215) z przewidywaniami modelu tunelowania [6]. Przez warstw(cid:215) SiO2 o grubo(cid:265)ci 1,2 nm up(cid:245)ywa pr(cid:199)d o g(cid:215)sto(cid:265)ci 103 A/cm2. Je(cid:290)eli ca(cid:245)kowity obszar tego izolatora znajduj(cid:199)cy si(cid:215) w uk(cid:245)adzie scalonym to 1 mm2, pr(cid:199)d up(cid:245)ywaj(cid:199)cy przez znajduj(cid:199)c(cid:199) si(cid:215) w nim warstw(cid:215) tlenku b(cid:215)dzie mia(cid:245) nat(cid:215)(cid:290)enie 10 A. Tak du(cid:290)y pr(cid:199)d spowodowa(cid:245)by roz(cid:245)adowanie akumulatora telefonu komórkowego w ci(cid:199)gu kilku minut. Pr(cid:199)d up(cid:245)ywu mo(cid:290)na zredukowa(cid:201) mniej wi(cid:215)cej dziesi(cid:215)ciokrotnie poprzez dodanie azotu do SiO2. In(cid:290)ynierowie opracowali technologi(cid:215) produkcji izolatorów o wysokim parame- trze k mog(cid:199)cych zast(cid:199)pi(cid:201) SiO2. Na przyk(cid:245)ad HfO2 charakteryzuje si(cid:215) wzgl(cid:215)dn(cid:199) prze- nikalno(cid:265)ci(cid:199) elektryczn(cid:199) k (cid:124) 24, co jest warto(cid:265)ci(cid:199) sze(cid:265)ciokrotnie wy(cid:290)sz(cid:199) od wzgl(cid:215)dnej Poleć książkęKup książkę 348 Pó(cid:239)przewodniki. Nowoczesne rozwi(cid:200)zania w uk(cid:239)adach scalonych RYSUNEK 7.8. (a) Energetyczny model pasmowy inwersji pokazuj(cid:199)cy tunelowanie elektronów przez warstw(cid:215) tlenku bramki; (b) przez warstw(cid:215) SiO2 o grubo(cid:265)ci 1,2 nm up(cid:245)ywa pr(cid:199)d o g(cid:215)sto(cid:265)ci 103 A/cm2; zastosowanie dielektryków charakteryzuj(cid:199)cych si(cid:215) wysokim parametrem k (takich jak HfO2) pozwala na obni(cid:290)enie pr(cid:199)du up(cid:245)ywu o kilka rz(cid:215)dów wielko(cid:265)ci (za [6] © 2003 IEEE) przenikalno(cid:265)ci elektrycznej SiO2. Przy warstwie HfO2 o grubo(cid:265)ci 6 nm powstaje taka sama pojemno(cid:265)(cid:201) Cox co przy warstwie SiO2 o grubo(cid:265)ci 1 nm. Mo(cid:290)emy wiec stwierdzi(cid:201), (cid:290)e taka warstwa HfO2 charakteryzuje si(cid:215) zast(cid:215)pcz(cid:199) grubo(cid:265)ci(cid:199) tlenku (EOT) równ(cid:199) 1 nm. Jednak(cid:290)e warstwa HfO2 cechuje si(cid:215) znacznie grubsz(cid:199) barier(cid:199) tunelowania elektronów i dziur. W zwi(cid:199)zku z tym pr(cid:199)d up(cid:245)ywaj(cid:199)cy przez HfO2 jest kilka rz(cid:215)dów wielko(cid:265)ci mniejszy od pr(cid:199)du up(cid:245)ywaj(cid:199)cego przez SiO2, co pokazano na rysunku 7.8b. Innymi atrakcyjnymi dielektrykami o wysokim parametrze k s(cid:199) ZrO3 i Al2O3. Trud- no(cid:265)ci w zastosowania dielektryków o wysokim parametrze k w produkcji uk(cid:245)adów scalonych wynikaj(cid:199) z reakcji, do których dochodzi pomi(cid:215)dzy nimi a krzemowym pod(cid:245)o(cid:290)em. Ponadto substancje takie charakteryzuj(cid:199) si(cid:215) ni(cid:290)sz(cid:199) ruchliwo(cid:265)ci(cid:199) powierzchniow(cid:199) ni(cid:290) SiO2, a tlenki tego typu gromadz(cid:199) wi(cid:215)cej (cid:245)adunku. Problemy te mo(cid:290)na zmniejszy(cid:201) poprzez umieszczenie cienkiej warstwy SiO2 pomi(cid:215)dzy krze- mowym pod(cid:245)o(cid:290)em a dielektrykiem o wysokim parametrze k. Zauwa(cid:290), (cid:290)e w równaniu 7.3.4 znajduje si(cid:215) elektryczna grubo(cid:265)(cid:201) warstwy tlenku Tox definiowana przez równanie 5.9.2. Poza t(cid:199) grubo(cid:265)ci(cid:199) grubo(cid:265)(cid:201) warstwy zubo(cid:290)o- nej bramki wykonanej z polikrystalicznego krzemu powinna by(cid:201) równie(cid:290) zminima- lizowana. W zwi(cid:199)zku z tym bramki lepiej jest wykonywa(cid:201) z metali. Aby uzyska(cid:201) optymalne napi(cid:215)cia Ut, konieczne mo(cid:290)e by(cid:201) zastosowanie w przypadku bramki tran- zystorów NFET i PFET dwóch ró(cid:290)nych metali charakteryzuj(cid:199)cych si(cid:215) prac(cid:199) wyj(cid:265)cia zbli(cid:290)on(cid:199) do pracy wyj(cid:265)cia polikrystalicznego krzemu typu n+ i p+ [7]. Ponadto Tinw jest równie(cid:290) sk(cid:245)adnikiem Toxe, a wi(cid:215)c parametr ten powinien tak(cid:290)e zosta(cid:201) zminimalizowany. Warto(cid:265)(cid:201) Tinw zale(cid:290)y od parametrów materia(cid:245)u — efek- Poleć książkęKup książkę Rozdzia(cid:239) 7. (cid:120) Tranzystory MOSFET w uk(cid:239)adach scalonych 349 tywnej masy elektronu lub dziury. Wi(cid:215)ksza masa efektywna prowadzi do cie(cid:247)szej warstwy Tinw. Niestety wy(cid:290)sza masa efektywna wi(cid:199)(cid:290)e si(cid:215) ze zmniejszon(cid:199) ruchliwo- (cid:265)ci(cid:199) (zobacz równanie 2.2.4). Na szcz(cid:215)(cid:265)cie masa efektywna jest funkcj(cid:199) kierunku przestrzennego kryszta(cid:245)u. Efektywna masa w kierunku normalnym do z(cid:245)(cid:199)cza z tlen- kiem okre(cid:265)la warto(cid:265)(cid:201) parametru Tinw, a masa efektywna w kierunku przep(cid:245)ywu pr(cid:199)du okre(cid:265)la ruchliwo(cid:265)(cid:201) powierzchniow(cid:199). Mo(cid:290)liwe jest stworzenie tranzystora na bazie wafla (zobacz rysunek 1.2) u(cid:245)o(cid:290)onego tak, aby w kierunku normalnym do z(cid:245)(cid:199)cza z tlenkiem parametry mn i mp by(cid:245)y wi(cid:215)ksze, a w kierunku przep(cid:245)ywu pr(cid:199)du by(cid:245)y one mniejsze. (cid:120) Pole elektryczne przebicia SiO2 (cid:120) Jak zdefiniowa(cid:201) pole przebicia SiO2? Nie jest to proste — pole przebicia jest funkcj(cid:199) czasu pomiaru. Je(cid:290)eli impuls napi(cid:215)cia trwaj(cid:199)cy 1 sekund(cid:215) zostanie przy(cid:
Pobierz darmowy fragment (pdf)

Gdzie kupić całą publikację:

Półprzewodniki. Nowoczesne rozwiązania w układach scalonych
Autor:

Opinie na temat publikacji:


Inne popularne pozycje z tej kategorii:


Czytaj również:


Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką: