Полевой транзистор с плавающим затвором

МДП-структура представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик называется подзатворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом. МДП-структура, приведенная на рисунке 3.10, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой подложки и омического контакта.

Рис. 3.10. Устройство МДП структуры
1 - затвор, 2 - подзатворный диэлектрик, 3 - полупроводниковая подложка, 4 - омический контакт

Существуют две разновидности МДП-транзисторов с индуцированным и со встроенным каналами.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (отрицательного при р-канале и положительного при п-канале). Это напряжение называют пороговым (UЗИ.пор). Так как появление и рост проводимости индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, что канал работает в режиме обогащения.

В МДП - транзисторах со встроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим путем, образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор - исток транзистора с р - каналом или отрицательном напряжении транзистора с n -каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки (UЗИ.отс). МДП - транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями заряда.

Рис. 2. Структура полевого транзистора с изолированным затвором: а - с индуцированным каналом; б - со встроенным каналом.

Особенность полевого транзистора с плавающим затвором в том, что внутри диэлектрика между затвором и легированной областью сделан ещё один - плавающий. Плавающий затвор это фактически проводник в слое диэлектрика. Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал "плавает". Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор или сквозь потенциальный барьер Si-SiO₂ путем квантово-механического туннелирования, или над барьером "горячих" носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки.

Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t и пороговое напряжение, определяется как где J(t)-величина инжекционного тока в момент времени t.

Есть два устойчивых состояния:

1)ток не идёт через транзистор, есть заряд на плавающем затворе

2)ток идёт, нет заряда на плавающем затворе.

А два устойчивых состояния дают право такому транзистору использоваться в качестве запоминающего устройства. Двоичная информация в такой структуре хранится в виде отрицатель­ного заряда электронов на плавающем затворе Q. Логической единице соответствует наличие некоторого заряда Q<0, а логическому нулю — его отсутствие (Q= 0). При наличии отрицательного заряда на плавающем за­творе значительно увеличивается пороговое напряжение, и характери­стика прямой передачи транзистора смещается в сторону более высоких напряжений (это смещение может достигать 12 В).

Принцип работы:

Чтобы записать в плавающий затвор информацию создается большая разность потенциалов между стоком и истоком и естественно положительный на затвор. Возникает канал. В транзисторе в этом случае протекает большой ток, причём такой силы, что, слегка пробивает изолятор и заносит электроны в плавающий затвор. При резком выключении тока электроны остаются в плавающем затворе, так как покинуть его уже не могут, ведь энергию для преодоления изолятора даёт большой ток. Плавающий затвор остаётся отрицательно заряжен при полном отключении напряжения. Ток через такой транзистор не пойдёт в дальнейшем, так как отрицательный заряд эффектом поля закрывает канал.

Этот эффект называется лавинной инжекцией электронов в диэлек­трик. В диэлектрике электроны под действием поперечного электрического поля дрейфуют к плавающему затвору и накапливаются на нем. В последнее время для записи и стирания информации используется также туннельный эффект.

Чтобы стереть заряд на плавающем затворе подаём на затвор большое напряжение "сгоняющее" с плавающего затвора электроны и заряд. Стирание информации осуществляется за счет пере­хода электронов с плавающего затвора в диэлектрик при облучении кри­сталла ультрафиолетовым светом.

Теперь нет заряда на плавающем затворе и при подаче положительного потенциала на затвор канал открывается и ток идёт.

Возможно частичное растекание наполненного информационного заряда из-за туннелирования электронов с плавающего затвора обратно в полупроводник.