Полевой транзистор

Х 9) (11) ПУБЛИК 2917 полупроводниЭнергия, 1973,1600568,70. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(54)(57) ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР, выполненный на полупроводниковой подложке и содержащий изолированныйэлектрод затвора, электроды стокаи истока, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повьппения быстродействия, электроды стока и истокаотделены от подложки туннельно-прозрачным диэлектриком .и выполнены,из материала, работа выхода 9 кото-рого определяется из соотношения6 3 Ф-Ф - - /ьЕи у ( ) где Ф; - работа выхода с энергетического уровня, расположенного в середине запрещенной зоны полупроводниковой подложки, - величина заряда электрода, 6 - заряд., встроенный в туннельно-прозрачный диэлектрик - толщина туннельно-прозрачного диэлектрика, а М - диэлектрическая проницаемость туннельно-прозрачного диэлектрика; Ь - расстояние между уровнем Ферми и серединой запрещенной зоны в полупроводнико- с: вой подложке.Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для создания усилителей аналоговых и цифровых сигналов, логических и запоминающих элементов, интегральных схем, в том числе больших интегральных схем (БИС) и сверхскоростных интегральных схем (СИС).Известен полевой транзистор, выполненный на полупроводниковой подложке, содержащий изолированный .электрод затвора, а также сток и исток, выполненный.в виде полупроводниковых областей с противоположным подложке типом проводимости,Ю Недостатком этого прибора является ограниченное быстродействие, так как оно зависит от расстояния между стоком и истоком, которое не может быть уменьшено ниже определен. ного предела из-за пробоя (прокола) прибора. Кроме того, такие транзисторы требуют высококачественных Р-п-переходов, получение которых у ряда полупроводников представляет большие трудности. Создание областей разного типа проводимостикак правило, связано с высокотемпературными процессами, ухудшающими качество приборов и затрудняющими контроль геометрических размеров.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является полевой транзистор, выполненный на полупроводниковой подложке, содержащий изолированный электрод затвора, электроды стока и истока.Однако в этом полевом транзисторе канал отделен от источника носителей (электрода истока) барьером Шоттки, для снижения которого требуется достаточно высокое поле, создаваемое между электродами истока и стока, Поэтому такая структура требует приложения значительных напряжений между электродами стока и истока и на изолированном электроде. затвора, что,в свою очередь снижает ее быстродействие.Цель изобретения - повьппение быстродействия полевого транзистора.Цель достигаепся тем, что элект", роды стока и истока отделены от подложки туннельно-прозрачным диэлектри. ком и выполнены из материала, работа выхода У которого определяется из соотношения15 м ф аЕггде Ф; - работа выхода с энергетического уровня, расположен 5 ного в середине запрещенной эоны полупроводниковой подложки;- величина заряда электрона,ч - заряд, встроенный в тук1 О н ель но-пр озр ачный диэлектрик,- толщина туннельно-прозрачного диэлектрика,М - диэлектрическая проницаемость туннельно-прозрачного диэлектрика,а - расстояние между уровнемФерми и серединой запрещенной эоны в полупровод 20 никовой подложке.Приведенное условие означает,что из-за разности работ выхода материалов истока (и стока) и полупроводниковой подложки (а, кроме25 того, под влиянием заряда, встроенного в туннельно-прозрачный диэлектрик, либо вопреки этому влиянию)в приповерхностных областях подложки под туннельно-прозрачным диэлект 30 риком электродов истока и стока образуются слои, обогащенные свободныминосителями. Эти слои примечательнытем, что являются хорошими инжекторами свободных носителей в индуцированный канал (в отличие от барьеровШоттки под электродами истока и стока известного транзистора). Поддействием электрического поля электрода затвора свободные носители вы 40 текают из-под электрода истока всторону электрода стока, двигаясьпо индуцироваяному поверхностномуканалу и ускоряясь полем, создаваемым напряжением, прикладываемым меж 45 ду электродами стока и истока, Восполнение носителей под туннельнопрозрачным диэлектриком электродаистока происходит благодаря протеканию туннельного тока основных но 50 сителей заряда (по отношению к типу,проводимости подложки) через этотдиэлектрик из электрода истока. Отсутствие потенциального барьерамежду индуцированным каналом и обогащенным (вырожденным) слоем в подложке под электродом истока позволяет прибору работать при низкихнапряжениях, а однородность полупро.водникового материала подложки допускает уменьшение длины канала полевого транзистора. В результате быстродействие полевого транзистора будет существенно выше, чем у известных приборов подобного типа.На фиг, 1 показан предложенный полевой транзистор, на фиг. 2 - зонная диаграмма поверхности полупроводниковой. подложки в приборе, в состоянии теплового равновесия 1 на фиг. 3 - то же, при положительном смещении.Прибор содержит полупроводниковую подложку 1, например, из кремния, слой диэлектрика 2 (например,оиз БхО толщиной 1000 А), используемый в качестве изолятора электрода затвора 3, туннельно-прозрачные слои диэлекотрика 4 и 5 (Б 10 толщиной 10-30 А), электроды стока 6 и истока 7. В качестве проводящего материала электродов истока и стока для полевого транзистора И -типа (изображенного на фиг. 1 .и 2) может использоваться, например А 1 (а также Т, Ве, БЬ, Еп, Сг, НЕ, Ег, ТпдОэ и т.п. а для полевого транзистора -типа может использоваться, например, Рг (а также Ац, Ац, Ра, Ег, Ке,ЗпО и т.п.).Прибор работает следующим образом.Пусть вначале на электродах истока 7, затвора 3, стока 6 напряжения равны нулю, В состоянии теплового равновесия (см.фиг.2) из-за разности работ выхода материалов электродов истока (стока) например А 1, и материала подложки, например 81, дно зоны проводимости поверхностного слоя, полупроводниковой подложки, например-типа, лежит ниже уровня Ферми в электродах стока и истока. Поэтому в приповерхностных областях под электродами 6 и 7 образуются заряды электронов, отделенные барьером под электродом затвора. При положительном смещении на электродах6 и 3 (см.фиг.З) барьер понизилсяиэлектроны из-под электрода 7 начнут перетекать под электрод 6. Уходэлектродов из-под электрода 7 будетвосполняться туннельным током черездиэлектрик 5. При низком (нулевом) 1 О напряжении на электроде 3 носителив канале двигаться не будут, таккак потенциальный барьер изменитсятолько вблйзи электрода стока 6. Таким образом, прибор работает какобычный полевой транзистор, но вкачестве истока и стока в нем используются ИДП-структуры с туннельно-тонким диэлектриком и материаломэлектродов истока и стока, удовлет воряющим условию0 дФ -У - - аЕМ 1 УРВместе с тем он имеет однороднуюполупроводниковую подложку, в кото рой отсутствуют легированные области отличного от нее типа проводимости. Прибор может использоватьбольшинство известных полупроводниковых материалов и может быть изготовлен на кремнии без использованиявысокотемпературных процессов. Конструкция прибора допускает уменьшение длины канала вплоть до сотенангстрем, что позволяет увеличить 35верхнюю частоту его функционированиядо 100 ГГц.Хорошие инжектирующие свойстваЬЩП-структур с туннельно-прозрачнымдиэлектриком для стока и истока позволяют работать при низких напряжениях питания (единицах вольт), чтоснижает мощность, потребляемуюприбором.Прибор перспективен для использования в БИС и СИС.1103762 СоставительТехред О.Вашишин едактор С.Титов аж 678 Подписноеенного комитета СССРтений и открытийРаушская наб., д, 4/5 Заказ 8555 ал ППП фПатент", г. Ужгород, ул ная, 4/5 Тир ВНИИПИ 1 цосударстпо делам изобр 13035, Москва, Ж,Корректор Г. Решетник