Мдп-транзистор

МДП-ТРАНЗИСТОР, содержащий подложку первого типа проводимости, области истока и стока второго типа проводимости, причем область стока выполнена составной в виде n⁺ - n-перехода и затвор, отличающийся тем, что, с целью расширения области рабочих температур транзистора до гелиевых, в области пространственного заряда стока создан градиент a примеси в направлении от истока к стоку, величина которого удовлетворяет условию a < 0,4 мкм^-1 n_g, где N_g - концентрация примеси в n(p) области стока.

Изобретение относится к аналоговой технике и может быть использовано в МДП-усилительных и коммутационных устройствах, предназначенных для функционирования при криогенных температурах.
Известно, что при охлаждении МДП-транзисторов до гелиевых температур их вольт-амперные характеристики (ВАХ) претерпевают качественные изменения как на линейном участке, так и в пологой области. В пологой области ВАХ при напряжениях сток-исток порядка 2-5 В происходит дополнительное увеличение тока стока I_с, обусловленное слабым лавинным пробоем перехода стока, в результате чего подложка приобретает положительный (для n-канального транзистора) заряд, а пороговое напряжение уменьшается.
Известен полевой транзистор, в котором для обеспечения его работоспособности при низких температурах используется слаболегированная подложка (концентрация легирующей примеси N_g 10¹³-5 10¹⁴ см^-3), а для обеспечения необходимой величины порогового напряжения в область канала, параллельно истоку и стоку, введена область того же, что и подложка, типа проводимости, но с повышенной концентрацией примеси. К недостаткам данного полевого транзистора можно отнести большую ( 100 мкм) минимальную длину канала транзистора, малые крутизну и дифференциальное сопротивление транзистора в пологой области, повышенную склонность КМДП схем к "защелкиванию", снижение радиационной стойкости.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является МДП-транзистор, содеpжащий подложку первого типа проводимости, области истока и стока второго типа проводимости, причем область стока выполнена составной в виде n⁺ n-перехода и затвор.
Недостатки прототипа подобны недостаткам аналога и обусловлены следующим. При криогенных температурах рассеяние носителей заряда происходит не на фотонах, как при комнатной температуре, а на ионизированных в области отсечки канала примесях. Если при нормальных условиях максимальное электрическое поле при пробое p-n-перехода E_m практически не зависит от N_g, то при криогенных температурах E_m 1/ Ng^1/3, где длина свободного пробега носителей заряда и для резкого p-n-перехода, имеем U U_в Е_m²/ N_g N_g^1/3, где U U₁-U_{с.и нас}. U₁ напряжение на стоке, при котором возникает особенность в пологой области ВАХ; U_{с.и нас}. напряжение насыщения; U_в напряжение пробоя p-n-перехода. Тем самым при низких температурах E_m и размеры области пространственного заряда (ОПЗ) определяются одним параметром структуры концентрацией легирующей примеси. Для увеличения U до 5-6 В необходимо уменьшить концентрацию легирующей примеси в подложке и(или) слаболегированной области стока до значений 5 10¹⁴ см^-3. Размеры ОПЗ, а следовательно, и минимальные размеры транзистора увеличатся до нескольких десятков микрон.
Для устранения особенности на начальном участке ВАХ транзистора (порогового напряжения сток-исток) при криогенных температурах необходимо, чтобы электрод затвора простирался над всей слаболегированной областью. Увеличение размеров слаболегированной области приведет к увеличению паpазитной емкости сток-затвор.
Тем самым, попытки использовать прототип при криогенных температурах приведут к деградации параметров транзистора.
Целью изобретения является расширение области рабочих температур до гелиевых.
Для этого в МДП-транзистор, содержащий подложку первого типа проводимости, области истока и стока второго типа проводимости, область стока выполнена составной в виде n⁺-n-перехода и затвор, в области пространственного заряда стока создан градиент а примеси в направлении от истока к стоку, величина которого удовлетворяет условию а < 0,4 мкм^-1 N_g, где N_g концентрация примеси в n(p) области стока.
На фиг.1 представлена структура данного МДП-транзистора.
МДП-транзистор содержит подложку 1 первого типа проводимости, область истока 2 и сильнолегированную область стока 3 второго типа проводимости, область истока 2 и сильнолегированную область стока 3 второго типа проводимости, электрод затвора 4, отделенный от подложки изолирующим слоем 5, слаболегированную область стока 6 второго типа проводимости.
В настоящем устройстве (см. фиг.2 и 3) p-n-переход стока имеет линейное распределение примесей (в пределах ОПЗ), для которого известно U U_в E_m^3/2/a^1/2. При низких температурах с учетом E_m N_g^1/3 имеем U (N_g/a)^1/2. В настоящем устройстве с введением линейного p-n-перехода сток-подложка два технологических параметра определяют напряжение пробоя N_g и а, первый из которых задает величину E_m, а второй размеры ОПЗ. Тем самым необходимое значение U можно получить при больших, чем в прототипе, значениях N_g, т.е. при заданной криогенной температуре настоящий транзистор будет иметь лучшие, чем прототип, параметры или заданные параметры при более низкой температуре, чем и достигается поставленная цель.
Напряжение пробоя резкого p-n-перехода при комнатной температуре при N_g 5x x10¹⁴ см^-3 составляет U_в 550 В, а размер ОПЗ при пробое W_ОПЗ 30 мкм. Те же самые значения U_в и W_ОПЗ для линейного перехода получаются при а_макс 2 10¹⁸ см^-4. Если данное значение а_макс обеспечить при минимальной концентрации в области пробоя N_gмин 5 10¹⁴ см^-3, то и при низких температурах размеры ОПЗ, определяемые величиной а и E_m, определяемое N_gмин, в настоящем транзисторе будут те же, что и в транзисторе без линейного p-n-перехода сток-подложка. При этом отношение a/N_g составит 2 10¹⁸ см^-4/5 10¹⁴ см^-3 0,4 мкм^-1. Необходимое значение градиента а может быть достигнуто при N_g > 5 10¹⁴ см^-3, а значит, в настоящем транзисторе будет большим E_m и меньшими размеры ОПЗ, чем в прототипе. Тем самым и достигается поставленная цель.
Для иллюстрации сделанных выводов были изготовлены n-канальные МДП-транзисторы 1 и 2 со следующими параметрами
Градиент а рассчитывался на ЭВМ на основе технологических режимов изготовления структуры.
Отношение a/N_g для обоих транзисторов примерно одинаково и по сути настоящего транзистора должны быть примерно одинаковыми и размеры пологой области ВАХ транзисторов. В результате измерений, проведенных при температуре 4,2 К, были получены величины UВАХ для n МДП 1 и n МДП 2, которые оказались равными 2,2 и 1,8-2,0 В соответственно, т.е. примерно равными, как и следовало ожидать.
Таким образом, в настоящем транзисторе те же, что и в прототипе, параметры могут быть достигнуты при более низкой температуре.
Использование: изобретение может быть использовано в усилительных и коммутационных устройствах на МОП-транзисторах, работающих при криогенных температурах. Сущность изобретения: в области пространственного заряда стока полевого транзистора выполнен градиент определенной величины, направленный от истока к стоку. 3 ил.