Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью
427
рений [36]. Ток J2 обусловлен туннельной эмиссией электронов с ловушек в
зону проводимости. Он преобладает при низких температурах и высоких
электрических полях. Ток J3 представляет собой омическую компоненту
проводимости, существенную при малых полях и умеренных температурах.
Аналогичные свойства проявляют и пленки А1203 [51]. В рассматриваемой
области значений электрических полей пленки двуокиси кремния имеют
гораздо меньшую электропроводность [52]. Например, при & = = 6-10(r) В "см-
1 и комнатной температуре плотность тока в Si02 составляет ^4-10-11 А-см-
2, что на много порядков меньше плотности соответствующих токов в пленках
Si3N4 и А120з.
Другой важной характеристикой диэлектрических слоев является максимальная
диэлектрическая прочность. Так называют электрическое поле, при котором
происходит пробой изолятора. Основными механизмами, определяющими
диэлектрическую прочность изоляторов, являются электрический и тепловой
пробои [53]. Они конкурируют друг с другом, и в конкретных ситуациях
доминирующим оказывается тот из них, который происходит при меньшей
напряженности электрического поля. Прц низких температурах причиной
пробоя диэлектрика обычно являются электрические процессы, и
диэлектрическая прочность при этом практически не зависит от температуры.
При высоких температурах происходит тепловой пробой, и диэлектрическая
прочность уменьшается с ростом температуры. В качестве примера
температурной зависимости диэлектрической прочности на рис. 35 приведены
результаты измерений в пленках нитрида кремния. Величину пробивного поля
<$т для теплового пробоя можно оценить с помощью выражения
в~СТ)\ (51)
полученного в работе [50] из условия равенства тепловых потерь и джоулева
тепловыделения в структуре. Здесь <рв - высота энергетического ,6apbepav
а С - слабоменяющаяся функция температуры, зависящая от длительности
импульса пробивного напряжения. Отметим, что при высоких температурах
(рис. 35) значения <§fm уменьшаются с температурой в соответствии с
выражением (51), а низкотемпературное значение <gm ~ 107 В-см'1.
Аналогичная температурная зависимость ^-наблюдается и при пробое
термически выращенных пленок Si02. Кроме того, в них наблюдается
зависимость пробивного поля от толщины пленки. Из рис. 36 видно, что с?т
увеличивается при уменьшении толщины пленки [54, 55]. Для пленок SiOa,
толщина которых превышает 1000 А, Жт примерно постоянно и составляет 9 х
X 106 В-см"1 (рис. 36, а). Для очень тонких пленок SiOa напря-
428
Глава 7
т, к
Рис. 35. Температурная зависимость пробивного поля в Si3N4 [50], [53].
1,8
1,6
1,2
1,0 0,6
Лl~Si02 ~Si
n~Si (20к\- cm) ИК+) 1 MB/(cm-c)
0
500
WOO
Q
d, A
a
1500
2000
Рис. 36. Зависимость пробивного поля от толщины пленок Si02 [54, 55]. a)
d = 100-2000 X; б) d = 40-300 А.
женность ffjn достигает величины 3• 107 В-см-1, которая близка к
предельным значениям напряженности электрического поля, при которых
происходит разрыв связей Si - О (рис. 36, б).
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью
429
7.4. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
Приборы с зарядовой связью (ПЗС) представляют собой матрицы близко
расположенных друг к другу ЛЮП-конденсаторов. Соответствующие
последовательности тактовых импульсов на затворах такой матрицы смещают
ее отдельные МОП-конденса-торы в режим глубокого обеднения, так что
зарядовые пакеты могут храниться под электродами матрицы и контролируемым
образом перемещаться вдоль поверхности кристалла, перетекая из-под одних
электродов матрицы к соседним электродам.
Основными типами приборов с зарядовой связью являются ПЗС с поверхностным
каналом и ПЗС со скрытым каналом. В ПЗС с поверхностным каналом заряды
хранятся и переносятся у границы раздела полупроводник - диэлектрик. В
ПЗС со скрытым каналом благодаря специальному легированию подложки эти
процессы происходят в толще полупроводника на некотором удалении от
границы с диэлектриком. Отметим также, что при конструировании конкретных
микроэлектронных устройств на ПЗС (в зависимости от их назначения)
применяются различные схемы организации тактового питания и взаимного
расположения затворов.
7.4.1. Хранение заряда
Основным элементом ПЗС (с поверхностным каналом) является МОП-
конденсатор, работающий в режиме глубокого обеднения. Его зонная
диаграмма для случая, когда сигнальный заряд равен нулю (Qsig = 0),
приведена на рис. 37, б. Здесь \J?s0 - поверхностный потенциал, (VG -
VFB) - эффективное напряжение на затворе (напряжение, приложенное к
металлическому электроду, будем называть затворным напряжением VG), VFB -
напряжение плоских зон [56]. Применительно к работе ПЗС минимум
электронной потенциальной энергии на границе раздела с окислом называют
потенциальной ямой. При Qsig - 0 эта яма пустая. Когда у границы раздела
хранится сигнальный зарядовый пакет, поверхностный потенциал уменьшается,
что соответствует заполнению потенциальной ямы (рис. 37, б).
