ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МОП ТРАНЗИСТОР ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СХЕМ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в качестве полупроводникового прибора, предназначенного для построения аналоговых интегральных схем с низким напряжением питания.
Современные короткоканальные технологические процессы производства интегральных схем (180 нм и менее) характеризуются низким напряжением питания (менее 1,8 В), которого часто бывает недостаточно для достижения приемлемых характеристик аналоговой интегральной схемы [1]. Существует ряд способов решения сложившейся проблемы [2].
Наиболее близким по технической сущности является способ, основанный на использовании латерального биполярного транзистора МОП транзисторной структуры [2], для которого характерна высокая крутизна передаточной характеристики. Недостатком способа является высокое пороговое напряжение транзистора, не приемлемое для разработки низковольтных аналоговых схем.
Основная задача предлагаемой полезной модели состоит в снижении порогового напряжения и обеспечении высокой крутизны передаточной характеристики интегрального МОП транзистора.
Поставленная задача достигается посредством одновременного использования латерального биполярного транзистора и полевого эффекта в МОП транзисторной структуре. Интегральный МОП транзистор для низковольтных схем представляет собой полевой транзистор с индуцированным каналом, затвор которого, в отличие от известного аналога, не закорочен на одну из шин питания, а электрически соединен с карманом (термин «карман» вводится для обозначения терминала «подложка» МОП транзистора, поскольку термин «подложка», в данном контексте обозначает основание всей интегральной схемы, а не отдельного транзистора), образуя управляющий электрод прибора; сток и исток транзистора остаются без изменений.
Особенности работы прибора были выявлены при проведении исследования в среде приборно-технологической САПР ISE TCAD для различных значений длины затвора n-канального транзистора - 0,18, 0,25, 0,50, 1,00 мкм. Ширина затвора модели транзистора 1 мкм. Результаты моделирования показывают, что при электрическом соединении затвора с карманом МОП транзистора наблюдается значительно более резкий рост тока стока при увеличении напряжения затвор-исток, чем при стандартном включении (фиг. 1, 2).
Такая крутизна передаточной характеристики характерна для биполярного транзистора. Однако, несмотря на видимое сходство, существует отличие в работе МОП транзистора с электрически соединенными затвором и карманом от биполярного. Оно заключается в меньшем напряжении включения (см. фиг. 3).
При соединении затвора с карманом из-за контактной разности потенциалов возникает положительное напряжение между затвором и подзатворным участком кармана (фиг. 4), что приводит к увеличению концентрации электронов в подзатворной области и в дальнейшем к приоткрыванию канала (фиг. 5).
Явление приоткрывания канала является причиной снижения порогового напряжения. Кроме сниженного порогового напряжения интерес представляет увеличенная крутизна МОП транзистора и соответственно природа тока, протекающего в приборе. Результаты исследования тока транзисторной структуры в приборно-технологической САПР ISE TCad, представлены на фиг. 6.
2
1
Отчетливо видны две области протекания тока: область канала (см. фиг. 6, ток i) и область в глубине кармана (см. фиг. 6, ток i). Следовательно, ток стока МОП транзистора с электрически соединенными затвором и карманом сформирован двумя токами: током, протекающим в области канала, и током, протекающим в глубине кармана.
Объединение кармана и затвора создает определенные трудности при проектировании топологии устройства. Технологии производства ИС предполагают изготовление ряда компонентов в одном кармане или в объеме подложки. Таким образом, необходимо обеспечить электрическую изоляцию четвертого терминала транзистора «Bulk» (карман) от подложки ИС. Для топологической реализации МОП транзистора с объединенными карманом и затвором, вносить изменения в технологический процесс нет необходимости. На сегодняшний день существует множество технологических процессов, предусматривающих различные типы электрической изоляции.
Наиболее подходящим типом изоляции является полная диэлектрическая изоляция. Примером технологического процесса производства интегральных схем, удовлетворяющего этому требованию, являются КНИ-технологии с изоляцией канавками (trench).
Литература.
1. Русанов, А.В. Влияние уменьшения напряжения питания на характеристики аналоговых блоков АЦП. [Текст] / А.В. Русанов, Ю.С. Балашов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - №1. - С. 74-76.
2. Allen, Р.Е. Low voltage analog circuits using standard CMOS technology [Текст] / P.E. Allen, B.J. Blalock, G.A. Rincon // IEEE′s International symposium on low power design Laguna California. - 1995. - pp. 209-214.