Реферат: Транзистор

Транзистор (от англ. transfеr — переносить и резистор), полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (преимущественно Si или Ge), содержащего не менее трех областей с различной — электронной ( n ) и дырочной ( p ) — проводимостью. Изобретен в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). Во-первых, содержащих два или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых — либо электроны, либо дырки. Термин «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приемников на полупроводниковых приборах.

Принцип действия МДП-транзистора

Физической основой работы МДП транзистора является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля.

Рис.1. Зонная диаграмма МДП-структуры. а) обогащение, V_g >0, s>0; б) обеднение, V_g <0,  s<0,| s|<| 0|; в) инверсия, V_g <<0,  s<0,| 0|<| s|<|2 0| -слабая инверсия,| s|>|20|-сильная инверсия.

Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке n-типа, обусловлен свободными дырками, концентрация которых r. Электрическое поле Еy обсловлено напряжением между стоком и истоком Vd. Согласно закону Ома плотность тока канала

(1)

где q-заряд электрона, m p-подвижность и p(x)-концентрация дырок в канале,. Проинтегрируем (1) по ширине Z и глубине Х канала. Тогда интеграл в левой части (1) дает полный ток канала Id, а для правой получим

(2)

Величина подинтегралом - есть полный заряд дырок Qp в канале на единицу площади. Тогда Id= Wm pQp? dV/dy (3)

Найдем величину заряда дырок Qp. Запишем уравнение электронейтральности для зарядов на единицу площади в виде

Qм = Qох + Qp + QB (4)

Рис.2. Схема МОП-транзистора. V_d =0, V_g <0.

Основными элементами конструкции МДП-транзистора являются:1)- две сильно легированные области противоположного с подложкой типа проводимости, сток и исток ; 2) диэлектрический слой, отделяющий металлический электрод, затвор, от полупроводниковой подложки и лежащий над активной областью транзистора, инверсионным каналом, соединяющим сток и исток.

Особенности субмикронных МОП-транзисторов

Традиционная структура МОП-транзистора обеспечила снижение длины затвора от 10 мкм в 70-х годах до 0,06 мкм в настоящее время путём простого масштабирования, то есть уменьшением длины затвора, толщины диэлектрика и глубины залегания p-n-переходов. Однако переход проектных норм через границу 130 нм в рамках традиционной конструкции наталкивается на физические ограничения. Таким образом, транзисторы для технологий XXI века должны иметь иную структуру и использовать новые материалы для подзатворного диэлектрика.

С уменьшением геометрических размеров транзисторов снижается площадь кристалла, уменьшаются паразитные ёмкости, улучшается быстродействие и снижается энергопотребление СБИС. За последние 30 лет длина затвора МОП-транзистора уменьшилась в 200 раз (с 10 мкм в начале 70-х годов до 60 нм в наши дни) [1]. В настоящее время коммерчески доступной является технология с минимальными горизонтальными размерами элементов 0,13 мкм, позволившая реализовать массовое производство микропроцессоров Intel Pentium 4 с тактовой частотой более 2,5 ГГц на МОП-транзисторах с длиной канала 60 нм и толщиной подзатворного окисла 1,5 нм [1]. В соответствии с прогнозами Ассоциации предприятий полупроводниковой индустрии NTRS, минимальные размеры элементов будут продолжать быстро уменьшаться и к 2012 году достигнут 50 нм.

Каждый технологический шаг в направлении уменьшения размеров сопряжён с ростом проблем конструирования и производства, которые приходится решать для обеспечения теоретически прогнозируемых характеристик транзистора. Любое улучшение одних параметров приводит к ухудшению других, причём с уменьшением размеров взаимное влияние параметров становится всё более сильным.

С ростом степени интеграции СБИС и систем на кристалле увеличивается доля чипов, содержащих аналоговые блоки, которые обеспечивают взаимодействие с окружающим миром, необходимое для крупных и функционально законченных систем. К транзисторам для аналоговых и цифровых применений предъявляются противоречивые требования. Для цифровых СБИС пороговое напряжение нельзя снижать неограниченно, поскольку при этом увеличивается подпороговый ток, который определяет потребление энергии СБИС в неактивном состоянии. Верхний предел порогового напряжения ограничивается четвертью от напряжения питания [2], которое стараются снизить для уменьшения потребляемой мощности. Однако для аналоговых схем идеальным является нулевое пороговое напряжение V_t = 0, что увеличивает динамический диапазон аналоговой схемы, определяемый разностью между напряжением на затворе и V_t , то есть (V_gs – V_t ).

Особыми требованиями к "аналоговым" транзисторам являются также повышенная нагрузочная способность (ток стока в режиме насыщения), линейность и малые нелинейные искажения на малом сигнале. Для дифференциальных каскадов и токового зеркала важна согласованность характеристик транзисторов.

Основными проблемами микроминиатюризации МОП-транзисторов являются туннелирование через затвор, инжекция горячих носителей в окисел, прокол между истоком и стоком, утечки в подпороговой области, уменьшение подвижности носителей в канале, увеличение последовательного сопротивления между истоком и стоком, обеспечение запаса между пороговым напряжением и напряжением питания. Транзистор должен иметь слабую зависимость порогового напряжения от напряжения на стоке, от длины и ширины канала, а также большую передаточную проводимость, большое выходное сопротивление, малое сопротивления областей истока и стока и большую нагрузочную способность. Емкости затвора и p-n-переходов должны быть минимальны. Разброс параметров техпроцесса, который растёт с уменьшением размеров транзистора, не должен снижать процент выхода годных кристаллов.