Транзисторы на горячих электронах

Выше мы уже рассматривали прохождение высокоэнергетических, «горячих» электронов сквозь тонкую металлическую пленку и инжектированных в нее путем эмиссии Шоттки, или туннелирования.

В 1960 г. Мидом был предложен тонкопленочный триод с туннельной эмиссией электронов, который представляет собой МДМДМ-структуру (рис. 9.13). В такой структуре электроны с уровня Ферми металлической пленки эмиттера туннелируют в зону проводимости диэлектрика. Электроны, имеющие достаточную энергию, могут достичь металлической пленки коллектора, если уровень Ферми эмиттера находится выше максимума потенциальной энергии коллекторного барьера.

χ_к

а) б)

Рис. 9.13. Транзистор с металлической базой: а – зонная структура;

б – тонкопленочная конструкция

Толщина базы таких транзисторов 10-20 нм. Транзисторы с металлической базой работают на основе переноса основных носителей – электронов, то есть являются униполярными транзисторами. Вследствие малой толщины базы, время пролета через нее очень мало (10^-13 – 10^-14 с). Сопротивление базы почти на два порядка меньше, чем в биполярных транзисторах. Отсюда ясна причина высоких частотных характеристик транзисторов на горячих электронах.

Функциональные активные устройства на тонких пленках пока не получили широкого применения, хотя имеют хорошие перспективы. Они малоинерционны, обладают низким уровнем шумов, хорошими частотными характеристиками, малочувствительны к радиации и температурным изменениям.

Контрольные вопросы и задания

1.1. Какова роль тонких пленок в микроэлектронике?

1.2. Каковы свойства тонких пленок?

1.3. В чем основная причина особенностей тонких пленок?

1.4. Перечислите возможные механизмы электропроводности тонких пленок.

1.5. Дайте определение классического размерного эффекта.

1.6. Определите толщину пленки меди, при которой возникает зависимость ρ (d), T =300К.

1.7. В чем суть квантового размерного эффекта?

1.8. Определите величину разности между вторым и третьим энергетическим уровнем в пленке, толщиной 2 нм.

2.1. Охарактеризуйте омический МД-контакт.

2.2. В чем состоят особенности нейтрального МД-контакта?

2.3. В чем состоят особенности блокирующего и запорного контактов?

2.4. Определите величину дебаевской длины экранирования в кремнии при Т=300К.

2.5. Как формируется ОПЗ?

2.6. Как формируется потенциальный барьер, МД–контакта и от каких факторов он зависит?

2.7. Определите толщину ОПЗ в германии, если χ_м - χ_д =1,5 эВ, N_д =10²³ м^-3.

2.8. Охарактеризуйте различия «хороших» и «плохих» контактов в МДМ-структуре.

2.9. Определите емкость МДМ-структуры, имеющей внутреннее поле 3∙10⁵ В/м и площадь 1 мм².

3.1. В чем заключается туннельный эффект?

3.2. Как работает туннельная МДМ-структура?

3.3. Как и почему изменяется зонная структура МДМ под действием внешней разности потенциалов?

3.4. Как определяют прозрачность МДМ-структуры?

3.5. Какова температурная зависимость туннельного тока в МДМ-структуре?

4.1. Опишите механизм Шоттки.

4.2. Как работает механизм Шоттки в МДМ-структуре?

4.3. Рассчитайте ток в МДМ-структуре, если φ_δ =1 эВ, T=400К.

4.4. Чем вызвано насыщение тока в МДМ-структуре?

4.5. Определите величину понижения потенциального барьера в МДМ-структуре, если ε =7, d =2∙10^-3 м.

4.6. В чем заключается эффект Френкеля-Пула?

4.7. В чем различие механизмов Шоттки и Френкеля-Пула?

5.1. Назовите условия для протекания ТОПЗ.

5.2. Как возникает пространственный заряд в диэлектрике МДМ-структуры?

5.3. Как и когда возникает эффект двойной инжекции в МДМ-структуре?

5.4. Как определяется концентрация носителей и напряженность поля в равновесной симметричной МДМ-структуре?

5.5. Как определяется концентрация носителей и напряженность поля в симметричной МДМ-структуре в условиях приложенной разности потенциалов?

5.6. Какой эффект возникает в случае сильно несимметричных контактов МДМ-структуры?

5.7. Нарисуйте ВАХ структуры и объясните ее поведение.

5.8. Как влияет эффект двойной инжекции на свойства МДМ-структуры с сильно несимметричными контактами?

6.1. Дайте определение горячих электронов.

6.2. Как осуществить ввод горячих электронов в диэлектрическую пленку?

6.3. Как работает ПМП-структура?

6.4. Приведите энергетическую диаграмму МДМ-труктуры.

6.5. Как определяют ток эмиссии?

7.1. Каковы основные принципы работы диода ПМП?

7.2. Опишите работу диода с резонансным туннелированием.

7.3. Почему в равновесном состоянии ток через ПДП-структуру отсутствует?

7.4. Найдите минимальное напряжение для туннелирования в ПДП- структуре, если толщина полупроводниковой пленки 2∙10^-8 м.

7.5. Каковы принципы работы диэлектрического диода?

7.6. Опишите работу диэлектрического диода.

7.7. Нарисуйте ВАХ диэлектрического диода и объясните ее характер.

7.8. Назовите основные принципы работы ТОПЗ-триода?

7.9. Приведите возможные конструкции ТОПЗ-триода.

7.11. Назовите особенности ТОПЗ-триода.

7.12. Каковы основные принципы работы транзистора на горячих электронах?

7.13. Опишите работу транзистора с металлической базой.

7.14. Каковы основные достоинства транзисторов с металлической базой?

Глава 10
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

В предыдущих главах мы говорили о микроэлектронике в традиционном понимании этого термина. Традиционная, или интегральная, микроэлектроника – это раздел электроники, использующий принципы микроминиатюризации и интеграции. Грубо говоря, элементы электронной схемы выполняются в микроминиатюрном варианте и интегрируются в кристалле микросхемы. Такой подход позволил получить сложные электронные устройства с высокой степенью надежности и хорошими массогабаритными характеристиками.

При этом принципиальная схема микроэлектронного устройства практически не отличается от схемы устройства на дискретных элементах. И здесь, и там работают диоды, транзисторы, резисторы и т.д. Конечно, имеется разница в конструктивном исполнении этих элементов, но по большому счету схемные решения микроэлектронных устройств и устройств дискретной электроники аналогичны.

Здесь необходимо вспомнить, что основной тенденцией развития электроники вообще и микроэлектроники в частности является расширение и усложнение выполняемых функций (скорость операций, объем ЗУ, качество сигналов, количество и уровень функций бытовой электроники). Это напрямую требует увеличения числа элементов, входящих в схему. Если учесть критерии надежности и массогабаритные показатели, то становится очевидной необходимость уменьшения размеров элементов схемы и повышения степени интеграции ИС.

Казалось бы, развитие микроэлектроники возможно с помощью дальнейшего повышения степени микроминиатюризации и интеграции. Так ли это? Ответ на этот вопрос мы попытаемся найти в данной главе. Здесь же рассмотрим возможные альтернативные пути развития электроники вообще и микроэлектроники в частности.

Заранее оговоримся, что читателю предлагается весьма схематичное изложение материала, да и объем рассмотренных вопросов достаточно ограничен.

Для тех, кто хочет более детально и точно ознакомиться с проблемами, затронутыми в данной главе, мы предлагаем обратиться, например, к работам [16, 22, 23].