Гранична напруга

Для реальних МДП-транзисторів гранична напруга для випадку короткого замикання витік-підкладка може бути виражена у вигляді (9.38):

де знак «+» ставиться до n- канальним (p- підкладка), і знак «-» # 8213; до p- канальним (n- підкладка); N П - концентрація домішки в підкладці.

Гранична напруга зростає з ростом рівня легування підкладки (рисунок 9.32, а) і зменшується з ростом питомої ємності діелектрика затвора (рисунок 9.32, б). Воно визначається також параметрами напруги плоских зон (9.40): ефективним зарядом і різницею термодинамічних робіт виходу з металу затвора і напівпровідника (# 966; ms) (рисунок 9.33).

Малюнок 9.32 - Залежність модуля порогового напруги від концентрації домішок

в підкладці (а) і питомої ємності затвора (б)

Малюнок 9.33 - Залежність граничної напруги від ефективного вбудованого

заряду (а) і контактної різниці потенціалів метал затвора - напівпровідник (б)

Для кремнієвих МДП-транзисторів з індукованим n- каналом модуль порогового напруги менше, ніж для p- канального. Це обумовлено природою вбудованого заряду (позитивний) і великим значенням # 966; MS для МДП-системи з підкладкою n- типу. Тому в системі Si-SiO2 -M внутрішнє вбудоване поле в p- канальному транзисторі збільшує граничну напругу в порівнянні з ідеальним (9.39) (Uпор <0), а в n- канальном уменьшает (Uпор> 0) (9.45). У зв'язку з цим історично першими МДП ИС були ІС на основі p- МДП-транзисторів, так як було легше реалізувати стабільне порогове напруга на p- канальних транзисторах, хоча крутизна передавальної характеристики і швидкодії n- канальних вище, ніж у p- канальних через більш високих значень рухливості електронів в порівнянні з дірками.

З вимог схемотехніки величина порогового напруги МДП-транзисторів повинна знаходитися в діапазоні (0,5 ... 3) В. Основним способом забезпечення цих значень є іонну подлегірованіе області каналу на глибину близько Wmax (N) (9.35). Управління за допомогою питомої ємності діелектрика використовується рідко, так як збільшення товщини діелектрика (зменшення Ci) веде до зменшення підсилюючих властивостей (крутизни), а зменшення товщини діелектрика обмежена напругою пробою і зменшенням надійності. Управління пороговим напругою за допомогою вбудованого заряду широко використовується в спеціальних репрограмміруемом МДП-транзисторах з енергонезалежною пам'яттю (Flash, EEPROM, ЛІПЗМОП), і буде розглянуто нижче.

Використання високолегованого p + - і n + - полікремнію і силіцидів металів на їх основі в якості матеріалу затвора дозволяє змінювати граничну напругу на

1В (ширина забороненої зони Si). Однак з точки зору надійності доцільно забезпечити # 966; MS> 0. так як вбудоване поле в діелектрику затвора в цьому випадку забезпечує підтримання стабільного заряду кордону розділу SiO2 -Si за рахунок дрейфу позитивних зарядів (іонів) до металу затвора, їх захопленням геттером і нейтралізацією заряду зовнішньої ланцюгом. Додаткова перевага полікремнію і силіцидів металу на їх основі полягає в технологічній «простоті» реалізації дворівневої металізації і самосовмещенних структур МДП-транзисторів з малою паразитного ємністю сток-затвор (довжина каналу визначається маскою полікремнієвих затвора).

У дискретних МДП-транзисторах і МДП ИС витік і підкладка в більшості випадків закорочені (заземлені). Це сприяє зведенню до мінімуму впливу паразитного біполярного транзистора, у якого емітер і колектор суміщені з витоком і стоком, а база - з підкладкою. У потужних МДП-транзисторах таке включення збільшує стійкість до вторинного пробою.

У деяких випадках необхідно збільшити граничну напругу (особливо n- канальних). З цією метою на підкладку подають зворотне зміщення щодо витоку Uип. Це призводить до зворотного зміщення инверсионного каналу щодо підкладки, а, отже, збільшення товщини самоізолюється шару іонів (ОПЗ), що викликає зростання поверхневої густини нерухомого заряду і зменшення щільності рухомого заряду при фіксованій напрузі на затворі (9.36). В результаті цього порогове напруга збільшується на величину, що компенсує збільшення заряду нерухомих іонів:

Чим сильніше легирована підкладка (NA), і чим менше питома ємність затвора (Ci), тим сильніше вплив підкладки на граничну напругу.