Транзистор
Реферат
По теме:
Транзистор
Выполнил: С. Андрей,
2ПР-1.
Понятие
транзистора
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, Vg>0, s>0; б) обеднение,
Vg<0, s<0,| s|<| 0|; в) инверсия,
Vg<<0, s<0,| 0|<| s|<|2
0| -слабая инверсия,| s|>|20|-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.
Vd=0, Vg<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.
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 Vt = 0, что увеличивает
динамический диапазон аналоговой схемы, определяемый разностью между
напряжением на затворе и Vt, то есть (Vgs – Vt).
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.