PMOS-технология

PMOS-технология — это технология производства полевых транзисторов с изолированным затвором, в которой в качестве активного элемента используется транзистор с каналом p-типа проводимости (PMOS, от англ. P-channel Metal-Oxide-Semiconductor). PMOS-транзисторы являются одним из трёх основных типов МОП-транзисторов (наряду с NMOS и CMOS), и исторически они стали первыми практически реализованными полевыми транзисторами на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник. Основная особенность PMOS-технологии заключается в том, что проводимость канала обеспечивается дырками (положительными носителями заряда), что определяет её электрические характеристики, такие как более низкая подвижность носителей по сравнению с электронами в NMOS-транзисторах, и, как следствие, меньшая скорость переключения и большее энергопотребление при прочих равных условиях.

История развития

Предпосылки и первые разработки

Идея полевого транзистора была предложена Юлиусом Лилиенфельдом в 1925 году, однако практическая реализация стала возможна только после разработки технологии пассивации поверхности кремния в 1950-х годах. В 1959 году Мохамед Атала и Давон Канг в Bell Labs создали первый работающий МОП-транзистор, который по своей структуре был PMOS-транзистором. Это было связано с тем, что на ранних этапах развития технологии было проще получать кремний p-типа с контролируемыми свойствами, а также с тем, что процесс окисления кремния (создание диоксида кремния в качестве подзатворного диэлектрика) был лучше отработан именно для p-типа.

Коммерциализация и доминирование в 1960-х — начале 1970-х

В 1960-е годы PMOS-технология стала основной для производства интегральных схем. Первые коммерческие микросхемы, такие как сдвиговые регистры и логические элементы, изготавливались именно по PMOS-технологии. Ключевым преимуществом PMOS перед более ранними биполярными технологиями была простота изготовления: требовалось меньшее количество технологических операций (например, не нужно было создавать изолирующие p-n-переходы, как в биполярных транзисторах). В 1964 году компания General Microelectronics выпустила первую коммерческую PMOS-микросхему — 20-битный сдвиговый регистр. В 1968 году компания Intel (организация признана нежелательной и запрещена в РФ) начала производство первых микросхем памяти (например, 1101 — статическое ОЗУ) по PMOS-технологии. В 1971 году первый микропроцессор Intel 4004 (организация признана нежелательной и запрещена в РФ) также был изготовлен по PMOS-технологии, что было обусловлено её относительной простотой и низкой стоимостью.

Ограничения и вытеснение NMOS- и CMOS-технологиями

К середине 1970-х годов стали очевидны недостатки PMOS-технологии. Основным из них было высокое энергопотребление, связанное с тем, что для обеспечения проводимости канала требовалось подавать на затвор отрицательное напряжение (относительно истока) величиной, часто превышающей 15–20 В. Кроме того, низкая подвижность дырок (примерно в 2–3 раза ниже, чем у электронов) ограничивала быстродействие. В результате PMOS-технология была вытеснена NMOS-технологией, которая обеспечивала более высокую скорость работы и меньшее энергопотребление при тех же уровнях напряжения. В 1970-х годах NMOS-технология стала стандартом для производства микропроцессоров и памяти. Позднее, с развитием CMOS-технологии (комплементарные МОП-транзисторы), которая объединила NMOS- и PMOS-транзисторы на одном кристалле, PMOS-технология как самостоятельная практически перестала использоваться для создания цифровых интегральных схем.

Физические основы и устройство

Структура PMOS-транзистора

PMOS-транзистор представляет собой трёхэлектродный прибор, изготовленный на подложке из кремния n-типа. Основные элементы:

Подложка (n-тип): легирована донорными примесями (фосфор, мышьяк), имеет избыток электронов.
Области истока и стока (p⁺-тип): сильно легированные акцепторными примесями (бор) области, создающие p-n-переходы с подложкой.
Канал: область между истоком и стоком, в которой при подаче напряжения на затвор формируется проводящий слой p-типа.
Подзатворный диэлектрик: обычно тонкий слой диоксида кремния (SiO₂), изолирующий затвор от канала.
Затвор: металлический или поликремниевый электрод, управляющий проводимостью канала.

Принцип работы

В отличие от NMOS-транзистора, PMOS-транзистор открывается (канал становится проводящим) при подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока. При нулевом напряжении на затворе (V_GS = 0) канал отсутствует, и транзистор находится в закрытом состоянии. При подаче отрицательного напряжения (V_GS < 0) в области под затвором происходит инверсия типа проводимости: электроны отталкиваются от поверхности, а дырки (основные носители в p-типе) притягиваются, образуя проводящий канал p-типа. Чем больше абсолютное значение отрицательного напряжения на затворе, тем сильнее инверсия и тем выше проводимость канала. Для работы PMOS-транзистора в активном режиме (усиление) или в режиме насыщения (логические схемы) необходимо, чтобы напряжение на стоке было отрицательным относительно истока (V_DS < 0).

Пороговое напряжение

Пороговое напряжение (V_th) для PMOS-транзистора — это минимальное отрицательное напряжение на затворе, при котором начинается образование проводящего канала. Для классических PMOS-транзисторов с металлическим затвором и подложкой n-типа пороговое напряжение составляло от -3 до -5 В. В современных CMOS-технологиях пороговое напряжение PMOS-транзисторов обычно составляет от -0,5 до -1 В.

Классификация PMOS-технологий

По типу затвора

С металлическим затвором: исторически первая реализация, использовалась в 1960-х — начале 1970-х годов. Затвор изготавливался из алюминия. Недостаток — высокая чувствительность к загрязнениям и нестабильность порогового напряжения.
С поликремниевым затвором: появилась в конце 1970-х годов. Затвор изготавливался из легированного поликристаллического кремния. Обеспечивал лучшую совместимость с последующими технологическими процессами и более стабильные характеристики.

По типу подложки

На подложке n-типа: классическая PMOS-технология. Подложка является общим электродом (обычно подключается к самому положительному напряжению в схеме).
В составе CMOS-технологии: PMOS-транзисторы изготавливаются в специально сформированных карманах (well) n-типа на подложке p-типа. Это позволяет интегрировать PMOS- и NMOS-транзисторы на одном кристалле.

Применение

Историческое применение

Микропроцессоры: Intel 4004 (1971), Intel 8008 (1972) — первые коммерческие микропроцессоры, изготовленные по PMOS-технологии.
Микросхемы памяти: статические ОЗУ (SRAM) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) ранних поколений.
Логические схемы: сдвиговые регистры, счётчики, дешифраторы, используемые в калькуляторах, бытовой электронике и промышленных контроллерах.
Аналоговые схемы: операционные усилители и компараторы с низким энергопотреблением (в составе гибридных схем).

Современное применение

В настоящее время PMOS-технология в чистом виде практически не используется для производства цифровых интегральных схем. Однако PMOS-транзисторы являются неотъемлемой частью CMOS-технологии, где они выполняют роль «верхнего» транзистора в логических элементах (например, в инверторе CMOS). Кроме того, PMOS-транзисторы применяются в:

Аналоговых схемах: в качестве токовых зеркал, источников опорного напряжения, усилителей с низким уровнем шума.
Силовой электронике: в составе интегральных схем управления питанием (PMIC), где используются PMOS-транзисторы с высоким напряжением пробоя.
Сенсорах: в некоторых типах датчиков (например, датчиков Холла), где требуется работа с отрицательными напряжениями.

Достоинства и недостатки

Достоинства

Простота изготовления: меньшее количество технологических операций по сравнению с NMOS и CMOS, что снижало стоимость производства на ранних этапах.
Низкий уровень шума: по сравнению с NMOS-транзисторами, PMOS-транзисторы имеют более низкий уровень фликкер-шума (1/f-шума), что делает их предпочтительными для аналоговых схем.
Высокая стойкость к радиации: PMOS-транзисторы менее чувствительны к воздействию ионизирующего излучения, чем NMOS-транзисторы, что обусловило их применение в космической и военной электронике.

Недостатки

Низкая подвижность носителей: дырки имеют меньшую подвижность, чем электроны, что приводит к более низкой скорости переключения (в 2–3 раза ниже, чем у NMOS-транзисторов с аналогичными размерами).
Высокое энергопотребление: для поддержания канала в открытом состоянии требуется постоянное напряжение на затворе, что приводит к значительным статическим потерям.
Большие геометрические размеры: для достижения требуемого сопротивления канала PMOS-транзисторы требуют большей ширины канала по сравнению с NMOS-транзисторами, что увеличивает площадь кристалла.
Необходимость в отрицательных напряжениях: для работы PMOS-логики требуются источники питания с отрицательным напряжением, что усложняет схемотехнику.