close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

все

код для вставкиСкачать
1. Понятие о полупроводнике. Собственные и примесные полупроводники. Понятие об энергетических зонах.
Уровень Ферми. Положение уровня Ферми в зависимости от концентрации доноров и акцепторов.
Удельная проводимость для полупроводников – ~10-4 – 1010 Ом∙см. Полупроводники и диэлектрики с
точки зрения структуры энергетических состояний принципиально не отличаются друг от друга, все
отличия обусловлены только шириной запрещенной зоны (∆Ез): в полупроводниках ∆Ез ≤ 3 эВ, а в
диэлектрике ∆Ез > 3 эВ.
Наибольшие применения в электронных приборах нашли полупроводниковые материалы, которые обычно
делят на собственные (чистые, беспримесные) и примесные (полупроводники). Как в собственных, так и
примесных полупроводниках, энергетические диаграммы которых приведены на рисунке 1.2, существуют
два типа свободных носителей заряда – электроны и дырки. Свободными носителями заряда называются
такие носители, кинетическая энергия которых больше их потенциальной энергии связи с атомами.
Концентрация свободных носителей определяется двумя противоположными процессами – генерацией и
рекомбинацией. Генерация носителей заряда, т.е. образование свободных электронов и дырок,
осуществляется при воздействии на полупроводник тепловой энергии, при облучении полупроводников
светом, ионизирующим облучением, пучками заряженных частиц и другими энергетическими факторами.
На энергетической диаграмме собственного полупроводника (рисунок 1.1,б) стрелкой 1 показан
переход электрона из валентной зоны, верхняя граница которой соответствует энергии ЕВ, в зону
проводимости. В валентной зоне при переходе электрона в зону проводимости остается дырка. Таким
образом, в состоянии равновесия в собственном полупроводнике
n p ni , т.е.
n p ni2 ,
(1.1)
где n- концентрация электронов, p- концентрация дырок, ni- концентрация свободных носителей в
собственном полупроводнике при данной температуре.
Примесные полупроводники могут быть донорными, акцепторными и компенсированными. В донорных
полупроводниках или, иначе говоря, в полупроводниках n-типа, содержащих донорную примесь (например,
фосфор или мышьяк для кремния) концентрация nn0 электронов, которые в данном случае называются
основными, в равновесном состоянии на много порядков превышает концентрацию собственных носителей
ni и концентрацию дырок pn0, называемых неосновными носителями.
.
Уровень Ферми. Свободные носители в твердом теле заполняют энергетические состояния
неравномерно. Согласно квантовой статистике вероятность заполнения электроном энергетического уровня
с энергией E определяется функцией распределения Ферми-Дирака F(E), которая вычисляется согласно
следующей формуле
F (E) = 1/ [1 + exp (E-Eф)/ (kT)],
(1.7)
где Еф – энергия, соответствующая уровню Ферми. В любой равновесной системе, какой бы разнородной
она не была, уровень Ферми одинаков (постоянен) для всех ее частей. Как показывают несложные
вычисления, в собственном полупроводнике при
mn m p уровень Ферми лежит посредине запрещенной
зоны Еф=Е фi =0.5(ЕП+ЕВ). В невырожденном полупроводнике n-типа, где NП>>n>>ni, Еф расположен
ближе к зоне проводимости, а в полупроводнике p-типа – ближе к валентной зоне. При комнатной
температуре (T=300K) Еф лежит, как правило, ниже уровня доноров
и выше уровня акцепторов для
полупроводников n и p типа соответственно. Если в примесных полупроводниках уровень Ферми лежит в
запрещенной зоне на расстоянии не менее (2-3)kT от ее границы, то концентрация электронов и дырок будет
равна
n=NП exp [-(Eп-Ефn)/kT] ,
p=NВ exp [-(Eфp-ЕВ)/kT],
(1.7, а)
(1.7, б)
где Ефn, Eфp – уровень Ферми соответственно для электронов в донорном полупроводнике и дырок в
акцепторном. С ростом температуры в примесном полупроводнике при mn≈mp уровень Ферми приближается
к середине запрещенной зоны, так как при этом начинает преобладать собственная проводимость над
примесной (рисунок 1.4). Если n≥NП или p≥NВ (вырожденный полупроводник), т.е. концентрация носителей
соизмерима с концентрацией разрешенных состояний, то в силу принципа Паули электроны не могут
произвольно занимать энергетические уровни. Уровень Ферми в этом случае лежит либо в запрещенной
зоне на расстоянии менее (2-3)kT от ее границ, либо в зоне проводимости для n-полупроводника или в
валентной зоне для p-полупроводника. Для сильно вырожденных полупроводников уровень Ферми, как и
концентрация основных носителей не зависит от температуры.
1.1. Энергетические уровни и зоны
В соответствии с квантовой теорией энергия электрона, вращающегося по своей орбите вокруг ядра,
не может принимать произвольных значений. Электрон может иметь только вполне определенные
дискретные или квантованные значения энергии и дискретные значения орбитальной скорости. Поэтому
электрон может двигаться вокруг ядра только по определенным (разрешенным) орбитам (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Разрешенные орбиты электрона в атоме водорода Рис. 1.2. Энергетические уровни атома
водорода
Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона или энергетический уровень.
Энергетические уровни отделены друг от друга запрещенными интервалами (рис. 1.2).
Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне не может находится более двух
электронов, причем спины этих электронов должны быть противоположны. В невозбужденном состоянии
электроны в атоме находятся на ближайших к ядру орбитах и в таком состоянии находятся до тех пор,
пока какое-либо внешнее воздействие не сообщит атому добавочную энергию. При поглощении энергии
атомом какой-либо электрон может перейти на один из более высоких свободных уровней, либо вовсе
может покинуть атом, став свободным носителем электрического заряда, а атом при этом превращается
из нейтрального в положительно заряженный ион.
1.2. Проводники, полупроводники и диэлектрики
В твердых телах атомы вещества могут образовывать так называемую кристаллическую решетку,
когда соседние атомы удерживаются межатомными силами на определенном расстоянии друг от друга в
точках равновесия этих сил, называемых узлами кристаллической решетки. Под действие тепла атомы,
не имея возможности перемещаться, совершают колебательные движения относительно положения
равновесия.
В отличие от газа соседние атомы в твердых телах так близко находятся друг к другу, что их внешние
электронные оболочки соприкасаются или даже перекрываются.
В результате этого в твердых телах происходит расщепление энергетических уровней электронов, на
большое количество почти сливающихся подуровней (рис. 1.3), образующих энергетические зоны.
Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля все энергетические зоны заняты
электронами, называется валентной.
Рис. 1.3. Расщепление энергетических уровней электронов в твердых телах
Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля
называется зоной
проводимости.
Между
валентной
зоной
и
расположена запрещенная зона.
электроны отсутствуют,
зоной
проводимости
Ширина запрещенной зоны является основным параметром, характеризующим свойства твердого тела
(рис. 1.4). Вещества, у которых ширина запрещенной энергетической зоны
,
относятся к полупроводникам, а при
– к диэлектрикам. У металлов (проводников)
запрещенная зона отсутствует. В полупроводниковой электронике широкое применение получили
германий
группы
галлия
и
периодической
системы
кремний
элементов
Менделеева,
а
– элементы 4-й
также
арсенид
. Всего лишь около 10 лет назад в качестве доступного
материала для полупроводниковых приборов стал рассматриваться карбид кремния
возможным благодаря развитию технологии выращивания кристаллов требуемого
необходимых
количествах.
Ширина
запрещенной
зоны
у
кремния
, что стало
размера в
карбида
для разных политипов.
Рис. 1.4. Зонные энергетические диаграммы различных твердых веществ:
а – проводник; б – полупроводник; в – диэлектрик
Подобно тому, как в отдельном атоме электроны могут переходить с одного энергетического уровня на
другой свободный уровень, электроны в твердом теле могут совершать переходы внутри разрешенной
зоны при наличии в ней свободных уровней, а также переходить из одной разрешенной зоны в другую.
Плотность уровней в разрешенных зонах очень велика, поэтому для перемещения электрона с одного
уровня
на
другой
внутри
разрешенной
зоны
требуется
очень
малая
энергия,
порядка
, что может быть следствием тепловых колебаний атомов; ускорений
электронов даже под действием слабых внешних электрических полей; попадания в атом кванта
световой энергии – фотона, а также ряда других видов внешних воздействий.
Для перехода электрона из низшей энергетической зоны в высшую требуется затратить энергию,
равную ширине запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт внешнее
электрическое поле практически не может перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости,
так как энергия, приобретаемая электроном, движущимся ускоренно на длине свободного пробега,
недостаточна для преодоления запрещенной зоны. Длиной свободного пробега является расстояние,
проходимое электроном между двумя соударениями с атомами кристаллической решетки.
Таким образом, способность твердого тела проводить ток под действием электрического поля зависит
от структуры энергетических зон и степени их заполнения электронами. Необходимым условием
возникновения электрической проводимости в твердом теле является наличие в разрешенной зоне
свободных или не полностью занятых энергетических уровней. Так в металлах зона проводимости
частично заполнена и под действием температуры электроны могут переходить из полностью
заполненных зон в зону проводимости. Однако их концентрация всегда мала по сравнению с
концентрацией валентных электронов. Поэтому концентрация электронов в металлах практически не
зависит от температуры и зависимость электропроводности металлов от температуры обусловлена
только подвижностью электронов, которая уменьшается с увеличением температуры из-за увеличения
амплитуды колебания атомов в кристаллической решетке, что влечет за собой уменьшение длины
свободного пробега электрона. У диэлектриков и полупроводников в отличие от металлов нет частично
заполненных зон. При температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена, а зона
проводимости совершенно пуста, поэтому эти вещества проводить ток не могут. Однако если этому
веществу сообщить достаточное количество энергии, то электроны, приобретая дополнительное
количество энергии, могут преодолеть ширину запрещенной зоны и перейти в зону проводимости. В этом
случае вещество приобретает некоторую электропроводность, которая возрастает с ростом
температуры.
2. Стабилитроны. Принцип работы, схема включения. Зависимость напряжения стабилизации от температуры и
концентрации примесей.
Стабилитрон – это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в
электронных схемах. Стабилитроны применяются во вторичных источниках питания, ограничителях,
источниках опорного напряжения и т.д. Простейшая схема стабилизации напряжения приведена на рисунке
3.3,а.
Рассмотрим работу простейшей схемы стабилизации
напряжения (рисунок 3.3,а), когда напряжение на резисторе нагрузки Rн равно Uн=Uст (рис. 3.3,б). Ток через
ограничивающий резистор Rогр равен
I= (E-Uст)/Rогр, при этом ток через стабилитрон Iст=I-I н , а ток
нагрузки Iн=Uст/Rн (точка С, рисунок 3.3,б). Предположим, что напряжение на входе схемы изменилось на
величину + E. В рабочей точке "С" дифференциальное сопротивление диода rдиф много меньше общего
сопротивления схемы, поэтому ток через стабилитрон при увеличении входного напряжения на + E
возрастет на величину I"= E/Rогр и примет значение соответствующее точке "С " на рисунке 3.3,б.
''
Возрастание тока через
стабилитрон приведет к увеличению общего тока I на величину I",
протекающего через резистор Rогр, что приведет к возрастанию падения напряжения на Rогр. В результате
напряжение на нагрузке практически не изменяется. Аналогичные процессы будут протекать и при
изменении напряжения на - E. В этом случае рабочая точка переместиться в положение "С
'
" и ток
уменьшится на I . Для получения хорошей стабилизации дифференциальное сопротивление стабилитрона
'
должно быть как можно меньше по сравнению с Rогр
и Rн. Аналогичные процессы будут происходить при
изменении значения резистора нагрузки. Это также будет приводить к изменению общего тока в схеме и,
следовательно, к изменению падения напряжения на Rогр, что восстановит первоначальное падение
напряжения Uст на Rн.
Поскольку напряжение пробоя зависит от температуры, то температурный коэффициент
напряжения стабилизации ст=(1/Uст)(dUст/dT) при Iст=const является одним из важных параметров
стабилитрона. Температурный коэффициент напряжения стабилизации у стабилитронов с лавинным
пробоем является положительным, а с туннельным – отрицательным. На рисунке 3.4 приведена кривая, из
которой можно оценить разброс ст для различных типов стабилитронов.
Для кремниевых высоковольтных стабилитронов с лавинным пробоем ст может быть значительно
уменьшено при последовательном их соединении с одним или двумя p-n – переходами, смещенными в
прямом направлении. Поскольку прямое напряжение уменьшается при повышении температуры, то за счет
этого происходит компенсация увеличения напряжения пробоя основного p-n – перехода. Такие
стабилитроны с термокомпенсацией называются прецизионными. Они обычно применяются в качестве
источников опорного напряжения.
Помимо стабилитронов общего назначения и прецизионных в радиоэлектронных схемах нашли
применение импульсные и двуханодные стабилитроны, а также стабисторы.
Импульсные стабилитроны используются как для стабилизации напряжения, так и в качестве
ограничителей амплитуды импульсного напряжения или смещения уровня постоянного напряжения на
величину Uст. Импульсные стабилитроны являются быстродействующими приборами поскольку их время
переключения определяется только перезарядкой барьерной емкости из-за того, что при пробое нет
накопления неосновных носителей в базе. Время нарастания тока лавины или туннельного прохождения
электронов через потенциальный барьер пренебрежительно мало (<10 пс).
Двуханодные стабилитроны изготавливаются на основе двух встречно включенных p-n –
переходов. Внешние выводы осуществляются от областей p – типа, которые являются анодами. При подаче
напряжения любой полярности один из стабилитронов смещен в прямом, а другой в обратном направлении.
Последний
работает
термокомпенсацию
в
режиме
подобно
пробоя,
прецизионному
а
первый,
прямосмещенный
стабилитрону.
Двуханодные
переход
осуществляет
стабилитроны
помимо
стабилизации напряжения применяют в схемах двухстороннего ограничения напряжения, в системах
защиты цепей от перенапряжения любой полярности.
Стабилитрон, в котором для поддержания постоянства напряжения используют прямую ветвь ВАХ,
называют стабистором. Эти приборы имеют значительно меньшее напряжение стабилизации (<1 В) по
сравнению с лавинными и туннельными стабилитронами, поскольку работают при прямом смещении. Для
увеличения напряжения стабилизации используют последовательное включение нескольких отдельных
стабисторов или изготавливают такое соединение внутри корпуса одного прибора. Для уменьшения rдиф и
сопротивление базы rБ в стабисторах применяют высоко легированный кремний. Напряжение стабилизации
в этом случае порядка 0,7 В, что соответствует участку относительно больших прямых токов для одного p-n
– перехода. ст отрицателен и по порядку величины лежит в пределах 0,1…0,4 %/0С. Стабисторы иногда
используют вместе с другими типами стабилитронов в качестве термокомпенсаторов.
Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви
вольтамперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при
сравнительно небольшом отклонении напряжения. Это свойство широко используется при создании
специальных устройств – стабилизаторов напряжения.
Напряжение пробоя стабилитрона зависит от ширины р-n-перехода, которая определяется удельным
сопротивлением материала полупроводника. Поэтому существует определенная зависимость
пробивного напряжения (т. е. напряжения стабилизации) от концентрации примесей.
Низковольтные стабилитроны выполняют на основе сильно легированного кремния. Ширина р-nперехода в этом случае получается очень маленькой, а напряженность электрического поля
потенциального барьера – очень большой, что создает условия для возникновения туннельного пробоя.
При большой ширине р-n-перехода пробой носит лавинный характер.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 2.18. Рабочий ток стабилитрона
(его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения
перегрева полупроводниковой структуры и выхода его из строя.
во избежание
Рис. 2.19. Конструкция корпуса (а), вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение
стабилитрона
Существенной особенностью стабилитрона является зависимость его напряжения стабилизации от
температуры. В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением
температуры возрастает. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании
уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации
(ТКН)
(2.4)
.
В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного
пробега носителей, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором
начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН. (рис. 2.20).
Рис. 2.20. Температурная зависимость вольт-амперной характеристика стабилитрона
Для устранения этого недостатка и создания термокомпенсированных стабилитронов последовательно
в цепь стабилитрона включают обычные диоды в прямом направлении. Как известно, у обычных диодов
в прямом направлении падение напряжения на р-n-переходе при нагревании уменьшается. И если
последовательно со стабилитроном (рис. 2.20) включить диодов в прямом направлении,
где
от
, (
до
– изменение прямого падения напряжения на диоде при нагревании
), то можно почти полностью компенсировать температурную погрешность стабилитрона.
Рис. 2.21. Термокомпенсация стабилитрона
Основные параметры стабилитронов:
1.
Напряжение стабилизации
стабилизации;
– напряжение на стабилитроне при про-текании через него тока
2.
Ток стабилизации
стабилизации;
3.
Дифференциальное сопротивление стабилитрона
– значение постоянного тока, протекающего через стабидитрон в режиме
заданном значении тока стабилизации, т. е.
4.
– дифференциальное сопротивление при
;
Температурный коэффициент напряжения стабилизации
– отношение относительного
изменения напряжения стабилизации стабилитрона к абсолютному изменению температуры
окружающей
среды
при
постоянном
стабилизации:
значении
тока
;
Предельные параметры стабилитронов:
1.
Минимально допустимый ток стабилизации
– наименьший ток через стабилитрон, при
котором напряжение стабилизации находится в заданных пределах;
2.
Максимально допустимый ток стабилизации
при котором напряжение стабилизации
перехода не выше допустимой;
3.
– наибольший ток через стабилитрон,
находится в заданных пределах, а температура
Максимально допустимая рассеиваемая мощность
теплового пробоя перехода.
– мощность, при которой не возникает
Выводы:
1.
2.
Полупроводниковый стабилитрон кремниевый диод, работающий при обратном напряжении в
режиме электрического пробоя.
Необходимое напряжение стабилизации получают выбором соответствующей концентрации примеси
в базе диода.
3. Устройство биполярного транзистора. Распределение примесей, схемы включения.
Биполярный транзистор – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими
электрическими переходами, имеющий три или более выводов. Название биполярный транзистор отражает тот факт, что
процессы в них определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). В основе работы
биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей через p-n-переход, заряд которых компенсируется
основными носителями.
Принципиальная структура биполярного транзистора состоит из трех полупроводниковых областей n-p-nили p-n-p-типа, которые соответственно называются эмиттером, базой и коллектором (рисунок 4.1) p-nпереход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.
Помимо структуры транзисторов на рисунке 4.1 приведены и их условные обозначения в схемах, где
стрелка указывает направление тока при прямом смещении эмиттерного и обратном смещении
коллекторного p-n-перехода. На рисунке 4.2 показаны три возможных схемы включения p-n-p транзистора: с
общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Направление токов и знаки соответствуют
нормальным условиям работы (активному режиму), т.е. прямому смещению эмиттерного p-n-перехода и
обратному смещению коллекторного перехода. Кроме этого режима возможна работа транзистора еще в
трех режимах: отсечки, двойной инжекции и инверсном. В режиме отсечки оба перехода смещены в
обратном направлении, в режиме двойной инжекции на оба перехода подано прямое напряжение; в
инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный в обратном направлении.
с общим кол пох на эту только ток к в против напр течет (на месте эмитора)
По конструктивным особенностям и технологии изготовления биполярные транзисторы могут быть
эпитаксиально-планарными, планарными, диффузионными, диффузионно-сплавными, сплавными и т.д.
3.1. Структура и основные режимы работы
Биполярный транзистор (обычно его называют просто транзистором) – это полупроводниковый
прибор с двумя или более взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами,
предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов.
Транзистор (полупроводниковый триод) был создан американскими учеными Дж. Бардином,
В. Браттейном и У. Шокли в 1948 году. Это событие имело громадное значение для полупроводниковой
электроники. Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые
триоды, и не являются простыми заменителями последних, а их можно использовать помимо усиления и
генерирования сигналов переменного тока в качестве ключевых элементов. Определение «биполярный»
указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, к которых принимают участие носители
заряда, как электроны, так и дырки.
Структура биполярного транзистора изображена на рис. 3.1. Он представляет собой монокристалл
полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами электропроводности. На
границах этих областей возникают электронно-дырочные переходы. От каждой области полупроводника
сделаны токоотводы (омические контакты). Среднюю область транзистора, расположенную между
электронно-дырочными переходами, называют базой (Б). Примыкающие к базе области обычно делают
неодинаковыми. Одну из областей делают так, чтобы из неѐ наиболее эффективно проходила инжекция
носителей в базу, а другую – так, чтобы p-n-переход между базой и этой областью наилучшим образом
собирал инжектированные в базу носители, то есть осуществлял экстракцию носителей из базы.
Рис. 3.1. Схематическое изображение структуры биполярного транзистора
Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу,
называют эмиттером (Э), а p-n-переход между базой и эмиттером – эмиттерным (ЭП). Область
транзистора, основным назначением которой является собирание, экстракция носителей заряда из базы,
называют коллектором (К), а p-n-переход между базой и коллектором – коллекторным (КП). В
зависимости от типа электропроводности крайних слоев (эмиттера и коллектора) различают
транзисторы p-n-p и n-p-n типа. В обоих типах транзисторов физические процессы аналогичны, они
различаются только типом инжектируемых и экстрагируемых носителей и имеют одинаково широкое
применение.
На принципиальных электрических схемах транзисторы изображают условными графическими
обозначениями, представленными на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Условные обозначения транзисторов:
а – транзистор p-n-p типа; б – транзистор n-p-n типа
Конструктивно биполярные транзисторы
керамических корпусах (рис. 3.3).
оформляются
в
металлических,
пластмассовых или
Рис. 3.3. Конструктивное оформление биполярного транзистора
При работе транзистора к его электродам прикладываются напряжения от внешних источников
питания. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, каждый
из p-n-переходов может быть смещен в прямом или в обратном направлении, исходя из этого, возможны
четыре режима работы транзистора (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Режимы работы биполярного транзистора
Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на
коллекторном переходе напряжение обратное, и он собирает носители из базы, то такое включение
транзистора называют нормальным, а транзистор работает в активном (усилительном) режиме.
В режиме насыщения оба p-n-перехода включены в прямом направлении, переходы насыщены
подвижными носителями заряда, их сопротивления малы.
В режиме отсечки оба p-n-перехода включены в обратном направлении. В электродах транзистора
протекают тепловые токи обратновключенных переходов.
Если же на коллекторном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на
эмиттерном переходе напряжение обратное, и он осуществляет экстракцию носителей из базы, то такое
включение транзистора называют инверсным, а транзистор работает в инверсном режиме.
При инверсном включении транзистора необходимо учитывать следующие особенности:
1.
Поскольку эмиттерный переход по площади меньше, чем коллекторный, то из того количества
носителей, которые инжектируются коллекторным переходом, меньшее количество собирается
эмиттерным переходом, что снижает величину тока этого перехода.
2.
3.
Это приводит к изменению заряда носителей в базе и, следовательно, к изменению барьерной
ѐмкости переходов, т. е. к изменению частотных свойств транзистора.
При меньшей площади эмиттерного перехода необходимо снижать величину его тока, чтобы
оставить прежней температуру нагрева полупроводниковой структуры
4. Зависимость концентрации носителей заряда в примесном полупроводнике от температуры. Рабочий диапазон
температур.
Температурная зависимость свободных носителей. Концентрация носителей в примесных
полупроводниках, так же как и в собственных сильно зависит от температуры. Рассмотрим температурную
зависимость концентрации электронов в кремнии на примере полупроводника n-типа (рисунок 1.3). На
рисунке 1.3 можно выделить три области. При низких температурах (область 1) с ростом температуры
концентрация свободных электронов увеличивается, так как возрастает число ионизированных доноров.
Зависимость концентрации электронов от 1/T определяется экспоненциальной функцией вида exp[-∆Ед /
(2kT)], поэтому в полулогарифмическом масштабе она изображается прямой линией, тангенс угла - наклона которой пропорционален энергии ионизации доноров. В области 2 почти все доноры ионизованы, а
концентрация собственных электронов ni незначительна, поэтому полное число свободных электронов
изменяется незначительно и их концентрация n≈nn0≈Nд. В области высоких температур (область 3)
происходит интенсивная ионизация собственных атомов полупроводника, так что концентрация
собственных носителей становится больше концентрации основных примесных носителей, т.е. ni>nn0=Nд. В
рассматриваемой области ni=f(1/T) в полулогарифмическом масштабе изображается прямой линией с углом
наклона
, при этом tg пропорционален ∆Ез.
Увеличение концентрации примесей приводит не только к увеличению концентрации основных
носителей, но и к пропорциональному уменьшению концентрации неосновных, в соответствие с
выражениями (1.3) и (1.5), что связано с увеличением вероятности их рекомбинации, пропорциональной
произведению отмеченных концентраций. Большинство полупроводниковых приборов нормально работает
в температурном интервале, соответствующем области 2 на рисунке 1.3. Максимальная температура в этой
области Tмакс приближенно определяется из условия ni=Nд. Она пропорциональна величине запрещенной
зоны и увеличивается с возрастанием концентрации примесей (рисунок 1.3). Концентрация неосновных
носителей в области 2 в отличие от концентрации основных носителей сильно увеличивается с ростом
температуры, в соответствии с выражением (1.4) для электронного полупроводника, где дырки - неосновные
носители, и выражением (1.6) для дырочного. Параметры приборов, которые зависят от концентрации
неосновных носителей, также будут изменяться с температурой даже в области полной ионизации примесей
(область 2 на рис. 1.3) и максимальная рабочая температура таких приборов может быть заметно ниже
температуры, определяемой условием ni=Nд для электронного полупроводника.
4.4. Электропроводность примесных полупроводников
Электропроводность примесного полупроводника называется примесной. Примеси могут
весьма
существенно
влиять
на
электрические
свойства
полупроводников.
Например, добавление в кремний бора в количестве одного атома на 10 5 атомов кремния
увеличивает проводимость при комнатной температуре в 1000 раз. Небольшая добавка
примеси к полупроводнику называется легированием.
Удельная электропроводность примесных полупроводников так же, как и для собственных
полупроводников, определяется концентрацией носителей заряда в зоне проводимости и их
подвижностью. Для донорного полупроводника при низких температурах основным поставщиком
электронов в зону проводимости являются донорные уровни примеси. За счет термического
возбуждения электроны с донорных уровней примесных атомов переходят в зону проводимости.
Концентрацию электронов проводимости в донорном полупроводнике при низких
температурах можно определить, подставив выражение для уровня Ферми донорного
полупроводника (см. формулу (3.27)) в соотношение (3.17), определяющее концентрацию
электронов в зоне проводимости в зависимости от энергии Ферми. В результате вычислений
придем к следующему выражению:
.
(4.19)
Прологарифмировав это выражение, получим
(4.20)
Так же, как и в случае собственных полупроводников, функция ln n от 1/T в области низких
температур представляет собой прямую, однако тангенс угла наклона будет теперь определяться
не шириной запрещенной зоны, а энергией активации донорных примесей Ed.
При дальнейшем повышении температуры концентрация электронов в зоне проводимости
становится сравнимой с концентрацией примеси Nd. Дальнейшее увеличение концентрации
электронов в зоне проводимости за счет перехода в нее электронов с донорных уровней примеси
становится невозможным. Это явление называют истощением примеси, а температура, при
которой наступает истощение примеси, называется температурой истощения примеси и
обозначается обычно Ts. Температуру Ts можно получить из равенства n = Nd, в результате
.
(4.21)
При очень высоких температурах поведение донорного полупроводника аналогично
поведению собственного полупроводника, когда приток электронов в зону проводимости
происходит за счет их перехода из валентной зоны, т.е. проводимость примесного
полупроводника становится собственной (см. уравнение (4.16)). Температура перехода к
собственной проводимости Ti определяется из условия равенства концентраций носителей в
собственном полупроводнике и электронов в донорном полупроводнике:
.
Отсюда
.
(4.22)
Температурная
зависимость
концентрации
электронов
проводимости
в донорном полупроводнике представлена схематически на рис. 4.6. Участок а - б
соответствует
температурной
области
примесной
проводимости.
Тангенс
угла
наклона определяется энергией активации донорных уровней
. В области б в концентрация носителей заряда в зоне проводимости остается постоянной, т.к.
примесные
уровни
истощены,
а
энергии
теплового
возбуждения еще недостаточно для перехода электронов из валентной зоны в зону
проводимости.
Электроны
могут
преодолеть
запрещенную
температуры Ti (участок в - г). При этом
зону
начиная
с
(рис. 4.6).
Рис. 4.6. Температурная зависимость
концентрации
электронов
в
донорном
полупроводнике
Можно показать, что для температурной зависимости концентрации дырок в акцепторном
полупроводнике справедливы аналогичные результаты. В частности, концентрация дырок в
валентной зоне
,
(4.23)
где Na - концентрация акцепторных уровней; Ea - энергия активации акцепторных уровней.
5. Емкости перехода. Варикап. Принцип работы, параметры.
Варикапы – это полупроводниковые диоды, использующие при своей работе
зависимость барьерной емкости p-n – перехода от обратного напряжения. Эта зависимость
называется вольт-фарадной характеристикой.
Варикапы
применяются
в
схемах
электронной
перестройки
частоты
колебательного контура, в усилительных параметрических схемах, в делителях и
умножителях частоты, в управляемых фазовращателях и др.
Основными исходными материалами для изготовления варикапов являются
кремний и арсенид галлия. Варикапы создаются на основе эпитаксильно-планарных
структур, сплавных и диффузионных технологий. Оптимальные параметры имеют
эпитаксиально-планарные варикапы.
Важнейшей характеристикой варикапа является вольт - фарадная Cвар=f(U) или
Cбар=f(Uобр) (см. гл. 2, рис. 2.8). В качестве важного параметра выступает коэффициент Kс,
определяющий крутизну вольт - фарадной характеристики (ВФХ)
Kс=(dCбар/dUобр)/Cбар
Kс определяет относительное изменение резонансной частоты колебательного
контура при совместной работе с варикапом (рисунок 3.5),(d0/dUобр)/0== Kс
/[2(1+Cк/Cбар)]
На схеме, представленной на рисунке 3.5, управляющее напряжение U подается на
варикап VD через высокоомный резистор R, уменьшающий шунтирование варикапа и
колебательного контура малым сопротивлением источника питания. При варьировании
обратного напряжения происходит изменение емкости варикапа, что приводит к
смещению резонансной частоты колебательного контура.
К основным специфическим электрическим параметрам варикапа относятся:
емкость при номинальном, максимальном и минимальном напряжениях, измеренная на
заданной частоте; коэффициент перекрытия по емкости; добротность; частотный
диапазон; температурные коэффициенты емкости ТКСв=dCв/CвdT
и добротности
ТКQв=dQв/QвdT.
Электрическую модель варикапа можно получить, используя общую модель диода
(см. рис. 2.10), в которой необходимо исключить элементы VD и Cдф и добавить
индуктивности вводов Lв, емкость корпуса Cкорп и сопротивление утечки Rу. Для
нормальной работы емкость выводов варикапа должна быть заметно меньше барьерной
емкости.
Эквивалентная схема варикапа примет вид, представленный на рисунке 3.6,а. При
низких частотах на эквивалентной схеме можно пренебречь Lв, Cкорп, сопротивлением
базы rБ, которое мало по сравнению с емкостным сопротивлением Xc=1/(Cбар) и
сопротивлением rпер, тогда эквивалентная схема вырождается в параллельное соединение
rпер=rдиф и Cбар (рис. 3.6,б). Добротность варикапа для низких частот вычисляется по
формуле Qн.ч=rперCбар.
С увеличением частоты изменяется соотношение между реактивной и активной
проводимостями и Qн.ч будет также увеличиваться (рис. 3.7, левая часть кривой). Для
получения больших значений rпер=rдиф, а следовательно, и высокой добротности Qн.ч,
целесообразно использовать полупроводники с большой шириной запрещенной зоны (Si,
GaAs).
На высокой частоте емкостное сопротивление Xc=1/(Cбар) становится малым и в
эквивалентной схеме варикапа можно не учитывать большое параллельно включенное
активное сопротивление перехода. Однако сопротивление базы rБ может оказаться
сравнимым с Xс, поэтому его исключать нельзя. В результате эквивалентная схема будет
выглядеть согласно рисунку 3.6,в. Для такой последовательной схемы замещения
добротность вычисляется в соответствии с выражением Qв.ч=1/( rБ Cбар).
Как видно из этой формулы Qв.ч уменьшается с ростом частоты (правая часть
рисунок 3.7). Физически это означает, что уменьшается отношение реактивного
сопротивления варикапа к сопротивлению потерь (rБ).
Варикапы основное применение находят на ВЧ и СВЧ, поэтому для определения
добротности используется последовательная схема замещении (рисунок 3.6,в) и варикапы
изготавливаются с малым значением rБ.
2.7. Варикапы
Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости р-nперехода от обратного напряжения.
Таким образом, варикап можно рассматривать как конденсатор, емкость которого можно регулировать
при помощи электрического сигнала. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом
обратном напряжении. При увеличении обратного напряжения емкость варикапа уменьшается. На
рис. 2.18 показана зависимость емкости варикапа КВ126А-5 от приложенного напряжения.
Рис. 2.18. Варикап КВ126А-5:
а – вольт-амперная характеристика; б – конструкция; в – условное графическое изображение варикапов
Основные параметры варикапов:
1.
Номинальная ѐмкость
напряжении;
– ѐмкость между выводами, измеренная при заданном обратном
2.
Добротность варикапа
– отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте
к сопротивлению потерь при заданной ѐмкости или обратном напряжении;
3.
Коэффициент перекрытия по ѐмкости
– отношение максимальной ѐмкости варикапа к его
минимальной ѐмкости при двух заданных значениях обратного напряжения.
Температурный коэффициент ѐмкости
4.
– относительное изменение ѐмкости варикапа,
приходящееся на один градус изменения температуры окружающей среды:
.
1.7.5. Емкость р-n-перехода
5.
Изменение внешнего напряжения на p-n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя, и
соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением
концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого, p-n-переход ведет
себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного вpn-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенного внешнего напряжения.
Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость р-n-перехода.
Барьерная емкость соответствует обратновключенному p-n-переходу, который рассматривается как
обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой
служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями
(1.19)
,
где
–
относительная
постоянная
слоя.
диэлектрическая
проницаемость;
– площадь запирающего слоя;
;
–
электрическая
– толщина запирающего
Барьерная емкость возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической
проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. В зависимости от площади
перехода
может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости
является то, что она является нелинейной емкостью. При возрастании обратного напряжения толщина
перехода
увеличивается
зависимости
влиянием
и
показывает
емкость
емкость
график
уменьшается.
на
рис. 1.22.
Как
изменяется в несколько раз.
Рис. 1.22. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения
Характер
видно,
под
Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при
прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда
носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный
потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях. Каждому
значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных
зарядов
и
, накопленных в n- и p-областях за счет диффузии
носителей через переход. Емкость
потенциалов:
представляет собой отношение зарядов к разности
(1.20)
.
С
увеличением
характеристика
чем
и
для
прямой
прямого
ток
тока
растет
имеет
быстрее,
нелинейный
чем
вид,
напряжение,
поэтому
т. к.
вольт-амперная
растет
быстрее,
увеличивается.
Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т. к. она
шунтируется малым прямым сопротивлением p-n-перехода. Численные оценки величины диффузионной
емкости показывают, что ее значение составляет несколько единиц микрофарад.
Таким образом, р-n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости,
управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.
6. Коэффициенты передачи тока в биполярных транзисторах. Эффект Эрли.
В активном режиме, который является наиболее распространенным, особенно для
усилительных схем, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный
в обратном.
Рассмотрим транзистор р-n-р типа. В этом случае дырки, инжектированные из эмиттера в
базу, движутся к коллекторному переходу. Инжекцией электронов из базы в эмиттер
можно пренебречь, поскольку концентрация примесей в эмиттерной области, как правило,
много больше, чем в базовой (см. рисунок 4.3,б). Движение инжектированных носителей
через базу обусловлено как диффузией, так и дрейфом носителей. Диффузия вызвана
повышением из-за инжекции концентрации в базе около эмиттерного перехода. В области,
примыкающей к коллекторному переходу, под действием обратного напряжения
происходит экстракция дырок. Дрейфовое движение вызвано внутренним электрическим
полем в базе, возникающим из-за неравномерного распределения примеси в области базы.
Такие транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой дрейфовое движение
играет значительную роль, называют дрейфовым.
Возникновение внутреннего поля можно проиллюстрировать с помощью рисунка
4.4,где представлено распределение доноров в n-базе, аналогичное рисунку 4.3,б.
Неравномерное распределение примеси в базе, а, следовательно, и основных носителей,
поскольку при комнатной температуре вся примесь ионизована, вызывает диффузию
электронов в направлении коллектора. Из-за ухода электронов в базе со стороны
эмиттерного перехода образуется избыточный нескомпенсированный заряд ионов
доноров, обозначенный на рисунке 4.4,б крестиками «+», а со стороны коллектора
ушедшие электроны образуют избыточный отрицательный заряд «-». В результате
сформировавшихся избыточных зарядов и возникает внутреннее поле
внутр,
которое
будет ускоряющим для инжектированных из эмиттера дырок. Инжектированные дырки,
пройдя область базы, будут втягиваться в коллектор ускоряющим электрическим полем.
Часть инжектированных дырок при их движении к коллектору будет рекомбинировать в
области базы, образуя базовый ток. Число рекомбинированных носителей невелико,
поскольку толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной дырок. В результате
токи эмиттера IЭ и коллектора IК различаются незначительно и их разность равна току
базы IБ, т.е.
IБ=IЭ-IК. Коллекторный ток очень мало зависит от напряжения на
коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все дырки,
дошедшие до коллекторного перехода, ускоряются его полем и уносятся в коллектор.
Направление токов можно проследить на рисунке 4.2.
Малое влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток приводит к тому, что
дифференциальное сопротивление коллекторного перехода rК= dUКБ/dIК очень велико, что
характерно для p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. В такой ситуации в
коллекторную цепь можно включить достаточно большой нагрузочный резистор Rн
практически
без
изменения
коллекторного
тока.
Если
входной
ток
эмиттера
увеличивается на величину ∆IЭ, то приращение коллекторного тока ∆IК приблизительно
будет тем же самым, т.е. ∆IЭ≈∆IК. Увеличение входной мощности ∆Рвх, потребляемой в
эмиттерной цепи определяется ∆IЭ и дифференциальным сопротивлением эмиттерного
перехода rЭ= dUЭБ/ dIЭ, которое для прямо смещенного перехода очень мало по
сравнению с сопротивлением обратно смещенного коллекторного перехода r K , т.е. rК >>
rЭ. В результате значение приращения входной мощности ∆Рвх = ∆IЭ∆UЭБ = ∆IЭ2·rЭ будет
много меньше выделяемой на нагрузке Rн
изменения выходной мощности Pвых=∆IК∆UКБ=∆ IК2·Rн, поскольку обычно Rн >> rЭ. Таким образом, схема усиливает с
коэффициентом усиления К= ∆Pвых / ∆Pвх = Rн/ rЭ > 1. В активном режиме ток эмиттера IЭ
p-n-p транзистора состоит из токов инжекции дырок в базу IЭp и электронов из базы в
эмиттер IЭn, а также тока рекомбинации в переходе IЭ рек, т.е. IЭ = IЭр+IЭn+IЭ рек. Из всех
составляющих ток инжекции дырок IЭр из эмиттера в базу определяет выходной
коллекторный ток, и, следовательно, является полезным. Остальные две составляющие
относятся к потерям, и их необходимо , по возможности, уменьшать. Полный ток
коллектора IК, помимо тока инжекции, учитывает ток рекомбинации в базе IБрек и
обратный ток коллекторного перехода IКБО, который не зависит от тока эмиттера.
Рекомбинацию инжектированных носителей в базе можно учесть с помощью
специального коэффициента α, который называется статическим коэффициентом
передачи тока эмиттера в схеме с общей базой. В результате полный ток коллектора
можно записать в форме
IК = αIЭ+IКБО
(4.1)
Из выражения (4.1) следует, что
α = (IК-IКБО)/IЭ ≈ IК/IЭ
(4.2)
В выражении (4.2) приближенное соотношение справедливо для рабочих токов IК,
которые обычно много больше IКБО.
Физически
α определяется коэффициентом инжекции
эмиттера
γэ
= IЭр/IЭ
и
коэффициентом переноса носителей x = IК /IЭр, т.е.
α = γ·х
(4.2,а).
Коэффициент инжекции γэ отражает какую часть составляет полезный ток инжекции
дырок из эмиттера в базу в полном токе эмиттера. Б отражает потери инжектированных
дырок при их движении через базу за счет рекомбинации. Рекомбинация определяет ток
базы, который равен IБ = IЭ- IК. Если воспользоваться соотношением (4.1), то можно
получить
IБ = (1-α)IЭ-IКБО
(4.3)
Из выражения (4.3) видно, что при токе IЭ = IКБО/(1-α) ток IБ = 0. Рабочие токи эмиттера
при нормальной работе значительно больше IКБО/(1-α), тогда ток базы
IБ ≈ (1-α) IЭ = IЭ-IК = I Эn +IЭрек+IБрек
(4.4)
В импульсных цифровых схемах и интегральных схемах достаточно широко используется
инверсный режим, когда в противоположность нормальному режиму роли эмиттера и
коллектора меняются местами. В инверсном режиме коллектоный переход смещен в
прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. Входным током в этом случае будет
коллекторный ток, а выходным – эмиттерный. Аналогично выражению (4.1) для
инверсного режима можно записать
IЭ = αIIК+IЭБО
(4.5)
где αI – инверсный коэффициент передачи тока, IЭБО – обратный ток эмиттерного
перехода при IК = 0
Из (4.5) следует
αI = (IЭ-IЭБО)/IК
(4.6)
С другой стороны аналогично (4.2) αI = γК Б1 , где γК – коэффициент инжекции
коллектора, БI
– инверсный коэффициент переноса.
Для большинства транзисторов αI > α, поскольку коллекторный переход p-n-переход не
обладает, в отличие от эмиттерного, свойством односторонней инжекции, т.к.
концентрация примеси в коллекторной области много меньше, чем в эмиттерной (см.рис.
4.3). В результате γК < γЭ. Помимо этого, внутреннее поле базы является тормозящим для
носителей, движущихся из коллектора в эмиттер, что уменьшает хБI и хБI < хБ , и кроме
того, хБ может уменьшаться из-за рекомбинации носителей в пассивной базе (окисленной
поверхности полупроводника базы или на базовом контакте)
Для схемы с общим эмиттером входным током является ток базы IБ, а выходным
ток коллектора IК. В этом случае, пользуясь выражением (4.1) и учитывая, что IЭ = IК+IБ
можно для коллекторного тока получить следующее выражение
IК = αI Б /(1-α)-IКБО/(1-α)
Введем
обозначение
(4.7)
β
=
α/(1-α).
Коэффициент
β
называется
статическим
коэффициентом передачи тока базы. Окончательно выражение (4.7) можно записать в
виде
IК = βIБ+(1+β)IКБО
(4.8)
Из этой формулы
β = (IК-IКБО)/(IБ+IКБО)
(4.9)
Следовательно, β есть отношение выходного коллекторного тока к входному
базовому току. Высококачественные транзисторы имеют
Для
режима
насыщения
происходит
α ≥ 0.99, тогда β ≥ 100.
двусторонняя
инжекция
неосновных
носителей через оба перехода, которые смещены в прямом направлении. В этом случае
ток базы будет больше по сравнению с нормальным (активным) режимом, поскольку из-за
инжекции носителей из базы в коллектор и из коллектора в базу происходит
дополнительная рекомбинация носителей и IБ>(1-α)IЭ для схемы ОБ или βIБ>IК для схемы
ОЭ.
В режиме отсечки на оба перехода подаются обратные напряжения и через переходы
протекают обратные токи IЭБО и IКБО. Поскольку площадь и толщина коллекторного
перехода больше, чем эмиттерного (степень легирования эмиттерной области много
больше, как правило, чем коллекторной), то IКБО>>IЭБО.
Рассмотренные коэффициенты передачи токов зависит от всех составляющих токов,
протекающих во всех цепях транзистора, поэтому α и β будут изменяться в функции тока
эмиттера, напряжения на коллекторе, температуры и т.д.
Входные характеристики в схеме ОБ представляют зависимость IЭ = f(UЭБ) при
постоянных значениях напряжения UКБ (рисунок 4.6). Для транзистора p-n-p - типа
положительные напряжения UЭБ соответствуют прямому включению эмиттерного
перехода, а отрицательные UКБ – обратному включению коллекторного перехода. Если
UКБ = 0, то входная характеристика транзистора практически совпадает с прямой ветвью
ВАХ p-n-перехода. В активном режиме (UЭБ >0, UКБ <0) характеристика смещается вверх
по отношению к кривой для UКБ = 0. Это смещение объясняется эффектом модуляции
толщины базы (эффектом Эрли). Суть этого эффекта состоит в том, что при увеличении
абсолютного значения (UКБ) обедненная область коллекторного перехода расширяется,
как это происходит в любом p-n-переходе при увеличении обратного напряжения (см. гл.
2). За счет коллекторного перехода в сторону базы происходит ее сужение. В результате
при одном и том же UЭБ градиент концентрации инжектированных носителей dpn/dx
возрастает (рисунок 4.7 прямая 2), следовательно увеличивается и диффузионный ток
инжектированных носителей пропорциональный dpn/dx , хотя концентрация pn на границе
и не претерпевает изменений (прямые 1 и 2 на рисунке 4.7 выходят из одной точки на
границе эмиттерного перехода).
3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе
Физические процессы в биполярном транзисторе при усилении электрических сигналов рассмотрим на
примере рис. 3.4. К транзистору подключают два источника ЭДС:
сигнала, и
– ЭДС источника входного
– ЭДС источника питания (мощного источника). ЭДС
подключается так, чтобы
эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а ЭДС
должна смещать коллекторный
переход в обратном направлении. Тогда при отсутствии тока в цепи источника входного сигнала (во
входной цепи транзистора) нет тока и в цепи источника питания (в выходной цепи). Строго говоря, в
выходной цепи будет протекать очень маленький ток – обратный ток закрытого коллекторного
перехода
, но им ввиду его малости можно пренебречь. Если же во входной цепи транзистора
создать под действием источника
какой-то ток
, то дырки, являющиеся основными носителями
в р-области эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они становятся уже неосновными
носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрического поля коллекторного перехода,
будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены
через границу раздела в область коллектора (область р-типа), где дырки уже являются основными
носителями. Таким образом, в цепи источника питания появится ток – ток коллектора
протекая, по сопротивлению нагрузки
, который,
, создает там падение напряжения:
(3.1)
,
которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяет все изменения входного сигнала.
Рис. 3.4. Движение носителей заряда и токи в биполярном транзисторе при активном режиме работы
Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу, достигают коллекторного
перехода; часть из них рекомбинирует в базе по пути движения от эмиттерного перехода к
коллекторному – ток
. Поэтому ток коллектора
принципиально меньше тока эмиттера .
Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:
(3.2)
.
Чтобы увеличить коэффициент передачи по току область базы делают тонкой, чтобы меньшее
количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают
больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы. Таким
образом, удается достичь величины коэффициента передачи по току
и более.
Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет
, все же коэффициент
передачи по мощности может быть значительно больше единицы за счет большого усиления по
напряжению. Ведь даже при малой величине коллекторного тока
падение напряжения на
сопротивлении нагрузки
может быть значительным, за счет большой величины напряжения
источника питания. Отметим, что в транзисторах n-p-n типа все описанные процессы протекают точно
также, но полярность источников
и
должна быть противоположной, а из эмиттера в базу будут
инжектироваться электроны, и электроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи
источника
.
Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала в транзисторе происходит
изменение
ширины
базового
слоя
,
так
как
под
действием
внешних
источников
и
толщина p-n-переходов изменяется, что в условиях малой ширины базового слоя
происходит ее модуляция (данное явление получило название эффект Эрли). Это приводит к ряду
особенностей:
1.
Чем уже становится база, тем меньшее количество инжектированных носителей будет
рекомбинировать в ней и, следовательно, большее количество их достигнет коллекторного перехода
и будет участвовать в образовании тока коллектора
передачи по току .
2.
3.
4.
5.
. Это приведет к изменению коэффициента
Изменение тока
при
приводит к зависимости
от
, т. е. к изменению
сопротивления коллекторного перехода.
Поскольку при этом меняется заряд носителей в базе, то это приводит к изменению емкости p-nперехода.
Изменение ширины базового слоя приводит к изменению времени прохождения зарядами базовой
области, т. е. к изменению частотных свойств транзистора.
Изменение ширины базы влияет на величину тока
при неизменном значении
.
Как крайнюю степень проявления модуляции ширины базы следует рассматривать явление,
называемое проколом базы. Прокол базы наступает тогда, когда под действием большого значения ЭДС
источника питания
ширина коллекторного перехода возрастает настолько, что происходит его
смыкание с эмиттерным переходом, что весьма вероятно в условиях малой толщины базовой области.
При этом
, а транзистор пробивается.
Основные параметры биполярных транзисторов:
1.
Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока:
;
2.
.
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (единицы – десятки Ом)
.
3.
Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении (единицы наноампер
– десятки миллиампер)
;
4.
Объемное сопротивление базы
5.
Выходная проводимость
(доли – сотни мкСм)
.
(десятки – сотни Ом).
или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода
;
.
6.
Максимально допустимый ток коллектора
7.
Напряжение насыщения коллектор – эмиттер
8.
Наибольшая мощность рассеяния коллектором
9.
Ёмкость коллекторного перехода
(сотни миллиампер – десятки ампер).
(десятые доли – один вольт).
(милливатт - десятки ватт).
(единицы – десятки пикофарад).
Выводы:
1.
2.
3.
4.
5.
При прямом напряжении, приложенном к эмиттерному переходу, потенциальный барьер понижается,
и в базу инжектируются носители заряда.
Инжектированные в базу неосновные носители заряда диффундируют в сторону коллекторного
перехода.
Вследствие того, что ширина базы транзистора мала и концентрация основных носителей заряда в
ней низкая, почти все инжектированные в базу неосновные носители заряда достигают
коллекторного перехода и перебрасываются полем потенциального барьера в коллектор, образуя
управляемый ток коллектора.
Небольшая часть инжектированных носителей заряда успевает рекомбинировать в базе, образуя
рекомбинированную составляющую тока эмиттера, которая замыкается через цепь базы.
Через цепь базы замыкается также небольшая составляющая тока эмиттера, образованная
диффузией неосновных носителей заряда из базы в эмиттер, и обратный ток коллекторного
перехода.
7. Диффузионное и дрейфовое движение зарядов. Подвижность. Зависимость подвижности от напряженности
электрического поля в случае прямозонных и непрямозонных полупроводников.
В твердых телах свободные носители при своем движении непрерывно испытывают столкновения с
атомами и ионами примесей и различными дефектами, в результате происходит их рассеяние. При наличии
электрического поля равноускоренное движение возможно только в промежутках между столкновениями.
После каждого столкновения свободная частица начинает заново ускоряться. При рассеянии изменяются
энергия и направление движения носителей, что сопровождается возбуждением или поглощением фононов.
Средняя скорость V электронов и дырок, направленная вдоль электрического поля, , которая называется
дрейфовой скоростью, пропорциональна напряженности поля
V Коэффициент пропорциональности
поля
(1.11)
.
между дрейфовой скоростью V и напряженностью электрического
называется подвижностью с размерностью см2/(В∙с).
8. Туннельный диод. Объяснить принцип действия с помощью энергетической диаграммы. Статические
параметры, применение.
2.4. Туннельные диоды
Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором
туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении
участка с отрицательной дифференциальной проводимостью.
Для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой
концентрацией примесей
, вследствие чего получается малая толщина p-n-
перехода (около
), что на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах,
и сквозь тонкий потенциальный барьер возможно туннелирование свободных носителей заряда.
На рис. 2.13 представлена вольт-амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом
смещении.
Рис. 2.13. Туннельный диод 1И104:
а – вольт-амперная характеристика при прямом смещении; б – конструктивное исполнение; в – условное
графическое изображение импульсных диодов
Параметрами туннельных диодов являются:
1.
Пиковый ток
– значение прямого тока в точке максимума вольт-амперной характеристики;
2.
Ток впадины
3.
Отношение токов
– значение прямого тока в точке минимума вольт-амперной характеристики;
германиевых
– (для туннельных диодов из
отношение
, для
);
4.
Напряжение пика
– значение прямого напряжения, соответствующее пиковому току;
5.
Напряжение впадины
6.
Напряжение раствора
– значение прямого напряжения на второй восходящей ветви, при
котором ток равен пиковому току.
– значение прямого напряжения, соответствующее току впадины;
Работа туннельного диода иллюстрируется диаграммами, изображенными на рис. 2.14.
Рис. 2.14. Зонные энергетические диаграммы, поясняющие особенности вольт-амперной характеристики
туннельного диода
В равновесном состоянии системы уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового
диода, поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна
зоны проводимости области n-типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны
области p-типа, и так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в
другую без изменения своей энергии, просачиваться сквозь потенциальный барьер, т. е. туннелировать
(рис. 2.14, б).
В состоянии равновесия потоки носителей из одной области в другую одинаковы, поэтому
результирующий ток равен нулю. Под воздействием внешнего поля энергетическая диаграмма
изменится. При подключении прямого напряжения уровень Ферми и положение энергетических зон
сместится относительно равновесного состояния в сторону уменьшения потенциального барьера и при
этом степень перекрытия между потолком валентной зоны материала p-типа и дном зоны проводимости
материала n-типа уменьшится (рис. 2.14, в). При этом в зоне проводимости материала n-типа уровни,
заполненные электронами (ниже уровня Ферми) окажутся против незаполненных уровней в валентной
зоне материала p-типа, что приведет к появлению тока, обусловленного большим количеством
электронов, переходящих из n-области вp-область. Максимальное значение этого тока будет тогда, когда
уровень Ферми материала n-типа и потолок валентной зоны материала p-типа будут совпадать
(рис. 2.14, г). При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельное перемещение электронов
из n-области в p-область начнет убывать (рис. 2.14, д), так как количество их уменьшается по мере
уменьшения степени перекрытия между дном зоны проводимости материала n-типа и потолком
валентной зоны материала p-типа. В точке, где эти уровни совпадают, прямой ток p-n-перехода
достигнет минимального значения (рис. 2.14, е), а затем, когда туннельные переходы электронов станут,
невозможны (рис. 2.14, ж), носители заряда будут преодолевать потенциальный барьер за счет
диффузии и прямой ток начнет возрастать, как у обычных диодов.
При подаче на туннельный диод обратного напряжения, потенциальный барьер возрастает, и
электрическая диаграмма будет иметь вид, показанный на (рис. 2.14, з). Так как количество электронов с
энергией выше уровня Ферми незначительно, то обратный ток p-n-перехода в этом случае будет
возрастать в основном за счет электронов, туннелирующих из p-области в n-область, причем, поскольку
концентрация электронов в глубине валентной зоны p-области велика, то даже небольшое увеличение
обратного напряжения и связанное с этим незначительное смещение энергетических уровней, приведет
к существенному росту обратного тока.
Рассмотренные процессы позволяют сделать вывод, что туннельные диоды одинаково хорошо
проводят ток при любой полярности приложенного напряжения, т. е. они не обладают вентильными
свойствами. Более того, обратный ток у них во много раз больше обратного тока других диодов. Это
свойство используется в другом типе полупроводникового прибора –обращенном диоде.
Выводы:
1.
2.
3.
Отличительной особенностью туннельных диодов является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным диф-ференциальным сопротивлением. Это
позволяет использовать туннельный диод в качестве усилительного элемента.
Туннельный эффект достигается за счет очень высокой концентрации примесей в p- и n-областях.
Так как возникновение туннельного тока нес вязано с инжекцией носителей заряда, туннельные
диоды имеют малую инерционность и вследствие этого могут применяться для усиления и генерации
высокочастотных колеба-ний.
9. Вольт-амперные характеристики транзистора для схемы с общей базой. Укажите на них участки,
соответствующие различным режимам работы. Как по ВАХ определить h-параметры.
Входные и выходные ВАХ транзистора в схеме с общей базой.
Входные ВАХ транзистора включенного по схеме с общей базой – зависимость входного
тока (тока через эмиттер) от входного напряжения (напряжения на переходе эмиттер-база)
при фиксированном выходном напряжении (напряжении на переходе база-коллектор).
Они имеют следующий вид:
Как видно, коллекторное напряжение очень слабо влияет на ток эмиттера, это объясняется
тем, что поле, создаваемое этим напряжением, сосредоточено в переходе база-коллектор.
Выходные ВАХ транзистора включенного по схеме с общей базой – зависимость
выходного тока (тока коллектора) от выходного напряжения (напряжения на переходе
база-коллектор) при фиксированном входном токе (токе эмиттера). Они имеют
следующий вид:
Особенностью выходных характеристик является наличие довольно большого тока
коллектора при наличии тока эмиттера и отсутствии напряжения на коллекторе. Это
объяснятся наличием на коллекторном переходе некоторого падения напряжения. Оно
возникает благодаря наличию у базы сопротивления, на котором как раз и создается это
падение напряжение током базы.
При отрицательном и достаточно большом напряжении на коллекторе, ток коллектора
представляет, по сути, ток через прямосмещенный p-n-переход (для n-p-n транзистора).
1.2. Методика графического определения H–параметров транзистора
Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем
определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры
необходимо задать рабочую точку, например А (IбА, UкэА), в которой требуется найти
параметры.
Параметры h11э и h12э находят по входной характеристики Uбэ =1(Iб)|Uкэ=const.
Определим h11э для заданной рабочей точки А (IбА, UкэА). На входной характеристике
находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.1.8). Выбираем вблизи
рабочей точки А две вспомогательные точки А1 и А2(приблизительно на одинаковом
расстоянии), определим по ними Uбэ и Iб и рассчитаем входное дифференциальное
сопротивление, по формуле:
h11э=(Uбэ /Iб)|Uкэ=const.
Приращения Uбэ и Iб выбирают так, чтобы не выходить за пределы линейного участка,
их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.
Графическое определение параметра h12э = Uбэ /Uкэ затруднено, так как семейство
входных характеристик при различных Uкэ0 практически сливается в одну (рис.1.8.).
Параметры h22э и h21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора
Iк=1 (Uкэ) (рис.1.9).
Параметр h21э= (Iк /Iб) |Uкэ=const находится в заданной рабочей точке А (IбА, UкэА). Для
нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки А1 и А2 вблизи рабочей
точки А при постоянном Uкэ =Uкэ0. Приращение тока базы Iб следует брать, как Iб=Iб2 –
Iб1, где Iб2 и Iб1 определены как токи базы в точках А2 и А1. Этому
приращению Iб соответствует приращение коллекторного тока Iк = Iк2 – Iк1, где Iк2 и
Iк1.определены в точках точках А2и А1. Тогда дифференциальный коэффициент передачи
тока базы рассчитаем по формуле h21э= (Iк /Iб) )|Uкэ=const .
Параметр h22э=(Iк/Uкэ)Iб=const определяется по наклону выходной характеристики
(рис.1.9) в заданной рабочей точке А (IбА, UкэА), при постоянном токе базы Iб. Для
нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки точки А*1 и А*2 . Для этих
точек определяют U*кэ|Iб = IбА =Uк2 – Uк1 – приращение коллекторного напряжения, и
приращение коллекторного тока I*к= I*к2 – I*к1. При этом из семейства выходных
характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном
значение тока базы Iб=IбА .
Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то
такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними
значения тока базы которых известно, и присвоить ей свое значение тока базы равное IбА .
10. Виды и физические механизмы пробоев электрических переходов. Примеры использования пробоев в
полупроводниковых приборах.
Вольт-амперные характеристики стабилитронов с преобладанием лавинного (слева) и туннельного (справа) механизмов
пробоя[18]
Полупроводниковый стабилитрон — это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольтамперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три
механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствие тепловой неустойчивости —
разрушительного саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах,
особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются
таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как
в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою[19]. Серийные стабилитроны изготавливаются из кремния,
известны также перспективные разработки стабилитронов из карбида кремния иарсенида галлия[20].
Первую модель электрического пробоя предложил в 1933 году Кларенс Зенер, в то время работавший в Бристольском
университете[21]. Его «Теория электического пробоя в твѐрдых диэлектриках» была опубликована летом 1934 года[22]. В
1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложеный Зенером туннельный механизм действует только при
напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при больших напряжениях преобладает лавинный механизм[21]. Напряжение
пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n-перехода.
Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжѐнность электрического
поля в областипространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при
котором возникает пробой:
Туннельный, или зенеровский, пробой возникает в полупроводнике только тогда, когда напряжѐнность электрического
поля в p-n-переходе достигает уровня в 106 В/см. Такие уровни напряжѐнности возможны только
в высоколегированных диодах (структурах p+-n+-типа проводимости) с напряжением пробоя не более шестикратной
ширины запрещѐнной зоны (6 EG ≈ 6,7 В), при этом в диапазоне от 4 EG до 6 EG (4,5…6,7 В) туннельный пробой
сосуществует с лавинным, а при напряжении пробоя менее 4 EG (≈4,5 В) полностью вытесняет его. С ростом
температуры перехода ширина запрещѐнной зоны, а вместе с ней и напряжение пробоя, уменьшается: низковольтные
стабилитроны с преобладанием туннельного пробоя имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения
(ТКН)[23].
В диодах с меньшими уровнями легирования, или меньшими градиентами легирующих примесей, и, как следствие,
большими напряжениями пробоя наблюдается лавинный механизм пробоя. Он возникает при концентрациях
примесей, примерно соответствующих напряжению пробоя в 4 EG (≈4,5 В), а при напряжениях пробоя выше 4 EG (≈7,2
В) полностью вытесняет туннельный механизм. Напряжение, при котором возникает лавинный пробой, с ростом
температуры возрастает, а наибольшая величина ТКН пробоя наблюдается в низколегированных, относительно
высоковольтных, переходах[24].
Механизм пробоя конкретного образца можно определить грубо — по напряжению стабилизации, и точно — по знаку его
температурного коэффициента[25]. В «серой зоне» (см. рисунок), в которой конкурируют оба механизма пробоя, ТКН может
быть определѐн только опытным путѐм. Источники расходятся в точных оценках ширины этой зоны: С. М. Зи указывает «от
4 EG до 6 EG» (4,5…6,7 В), авторы словаря «Электроника» — «от 5 до 7 В»[8], Линден Харрисон — «от 3 до 8 В»[26], Ирвинг
Готтлиб проводит верхнюю границу по уровню 10 В[9]. Низковольтные лавинные диоды (LVA) на напряжения от 4 до 10 В —
исключение из правила: в них действует только лавинный механизм[11].
Оптимальная совокупность характеристик стабилитрона достигается в середине «серой зоны», при напряжении
стабилизации около 6 В. Дело не столько в том, что благодаря взаимной компенсации ТКН туннельного и лавинного
механизмов эти стабилитроны относительно термостабильны, а в том, что они имеют наименьший технологический
разброс напряжения стабилизации и наименьшее, при прочих равных условиях,дифференциальное сопротивление[27].
Наихудшая совокупность характеристик — высокий уровень шума, большой разброс напряжений стабилизации, высокое
дифференциальное сопротивление — свойственна низковольтным стабилитронам на 3,3—4,7 В[28].
Пробой перехода. Пробоем p-n-перехода называют резкое увеличение тока через
переход при большом обратном напряжении, создающем в переходе большую
напряжѐнность
электрического
поля.
Напряжение,
при
котором
происходит
лавинообразное нарастание тока, называется напряжением пробоя Uпроб. Существует три
основных механизма пробоя: туннельный, тепловой и лавинное умножение. Первый и
третий механизмы обусловлены увеличением напряжѐнности электрического поля в
переходе, а второй – увеличением рассеиваемой мощности в переходе и, соответственно,
его температуры.
В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, связанный с переходом
электронов через тонкий потенциальный барьер без изменения энергии (рис. 2.6).
Толщина барьера при туннельном переходе частиц составляет порядка 10 нм. Такие
барьеры возможны при контакте между сильно легированными полупроводниками
(Nд, Na > 5∙1018 см -3). На энергетической диаграмме перехода при обратном смещении
(рис 2.6) показан туннельный переход электрона с уровня 1 в валентной зоне p-области на
один и тот же энергетический уровень в положение 2 в зоне проводимости n-области.
Электрон проходит под энергетическом барьером треугольной формы (точки 1, 2, 3).
Необходимым условием
туннельного перехода электронов является наличие занятых
энергетических состояний в валентной зоне p-области и свободных состояний с теми же
значениями энергии в n-области. На рис. 2.6 такие состояния сосредоточены в интервале
энергий ΔEтун. Высота потенциального барьера равна ΔEз, а ширина равна d, d меньше
толщины обеднѐнного слоя и уменьшается при увеличении обратного напряжения. При
повышении температуры ΔEз уменьшается и напряжение туннельного пробоя снижается,
т.е. температурный коэффициент напряжения туннельного пробоя отрицателен.
Лавинное напряжение (или ударная ионизация) связано с размножением носителей
под действием сильного электрического поля. Носители, перемещающиеся через p-nпереход при подаче обратного напряжения, на длине свободного пробега приобретают
энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар за счѐт ударной
ионизации атомов полупроводника. Рождѐнные электронно-дырочные пары, ускоряясь
полем перехода, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов, появляются
новые электронно-дырочные пары и т.д.
При большой ширине запрещѐнной зоны носители должны приобретать бόльшую
энергию в электрическом поле для реализации ударной ионизации, т.е. бόльшим энергиям
ΔEз соответствуют и бόльшие Uпроб.
При возрастании температуры Uпроб увеличивается из-за уменьшения длины
свободного пробега носителей, при этом требуются бόльшие значения напряжѐнности
электрического поля для того, чтобы произошла ударная ионизация. Следовательно,
температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен. Таким
образом, по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя можно отличить
туннельный пробой от пробоя ударной ионизации.
Тепловой пробой происходит в результате разогрева p-n-перехода под действием
обратного тока Iобр. Увеличение обратного напряжения вызывает повышение температуры
перехода, что, в свою очередь, приводит к возрастанию Iобр. Количество выделенного
переходом тепла, определяющего его температуру, пропорционально (Iобр∙, Uобр). Если
количество теплоты, выделенной в переходе, превышает количество отводимой от
перехода теплоты, то при достаточном напряжении развивается процесс непрерывного
нарастания температуры, а, следовательно, и тока.
Напряжение теплового пробоя тем ниже, чем больше тепловой обратный ток.
Вследствие
этого
на
характеристике
возникает
участок
с
отрицательным
дифференциальным сопротивлением. В Si и GaAs p-n-переходах обратные токи весьма
малы и напряжение теплового пробоя в таких переходах больше напряжения пробоя для
лавинного пробоя. При высоких температурах окружающей среды возможен пробой,
когда присутствуют оба механизма.
1.7.4. Виды пробоев p-n-перехода
Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p-nпереход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры
полупроводника.
Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и
туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым.
К необратимым относят тепловой и поверхностный.
Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной p-n-перехода,
образованных слаболегированными полупроводниками. При этом ширина обедненного слоя гораздо
больше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием сильного электрического
поля с напряженностью
,
. В лавинном пробое основная
принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в p-n-переходе.
роль
Эти носители, испытывают со стороны электрического поля p-n-перехода ускоряющее действие и
начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля. При определенной величине
напряженности неосновные носители заряда на длине свободного пробега
могут разогнаться до такой
скорости, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при очередном соударении с
атомом полупроводника ионизировать его, т. е. «выбить» один из его валентных электронов и
перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару «электрон – дырка» (рис. 1.20).
Образовавшиеся носители тоже начнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими
нейтральными атомами и процесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать. При этом происходит
резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.
Рис. 1.20. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в p-n-переходе:
а – распределение токов; б – зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение при обратном
смещении перехода
Параметром, характеризующим лавинный пробой является коэффициент лавинного умножения
,
определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля.
Величина обратного тока после лавинного умножения будет равна:
,
(1.17)
,
где
– начальный ток;
коэффициент, равный 3 для
– приложенное напряжение;
, 5 для
– напряжение лавинного пробоя;
.
Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого
значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника,
то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.
Туннельный пробой происходит в очень тонких p-n-переходах, что возможно при очень высокой
концентрации примесей
, когда ширина перехода становится малой
(порядка 0,01 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает
большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля,
воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к
их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер (рис. 1.21) из валентной зоны pобласти в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии
носителей заряда. Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при
практически неизменном обратном напряжении.
Рис. 1.21. Зонная диаграмма туннельного пробоя p-n-перехода при обратном смещении
Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого
значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника,
то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.
Тепловым называется пробой p-n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при
повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая
–
мощность, выделяющаяся в p-n-переходе и, соответственно, температура кристаллической структуры.
Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных
электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования
дополнительных пар носителей «электрон – дырка». Если электрическая мощность в p-n-переходе
превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в
кристалле происходит необратимая перестройка структуры и p-n-переход разрушается.
Для предотвращения теплового пробоя необходимо выполнение условия
,
где
(1.18)
– максимально допустимая мощность рассеяния p-n-перехода.
Поверхностный пробой. Распределение напряженности электрического поля в p-n-переходе может
существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд
может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности
перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для
возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем.
Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды,
граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя
применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.
11. Основные свойства гетероперехода
2.7 Гетеропереходы.
Гетеропереход в общем случае может быть определѐн как граница раздела между двумя
различными веществами (в частности полупроводниками) с разной шириной запрещенной зоны. Если два
рассматриваемых полупроводника имеют одинаковые типы проводимости, то переход называется
изотипным
гетеропереходом,
в
противном
случае
он
называется
анизотипным.
Анизотипные
гетеропереходы, как и гомопереходы, разделяются на n-p и p-n-типа и являются структурами с неосновными
носителями. До настоящего времени, в противоположность гомопереходам, не существует моделей,
объясняющих все физические явления в гетеропереходах, поскольку в них свойства границы раздела сильно
изменяются от материала к материалу и в значительной мере зависят от технологии изготовления.
Существующие модели анизотипных гетеропереходов могут рассматриваться как обобщение общепринятой
модели гомопереходов. Типичные диаграммы энергетических зон двух полупроводников p- и n- типов до
контакта и резкого p-n- гетероперехода после тесного контакта в равновесном состоянии приведены на
рисунке 2.16,а и 2.16,б.
1.7.8. Гетеропереходы
Гетеропереходом называют переходный слой с существующим там диффузионным электрическим
полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками, обладающие различной
шириной запрещенной зоны.
Для получения гетеропереходов хорошего качества необходимо, чтобы у материалов образующих
переход с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения и
постоянная кристаллической решетки, что ограничивает выбор материалов для гетеропереходов. В
настоящее
время
наиболее
исследованными
являются
пары:
германий
–
арсенид
галлия
арсенид индия
, арсенид галлия – фосфид индия
, арсенид галлия –
, германий – кремний
.
Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход может иметь различный тип
электропроводности. Поэтому для каждой пары полупроводников в принципе возможно осуществить
четыре типа гетероструктур:
;
;
и
.
При образовании гетероперехода из-за разных работ выхода электронов из разных полупроводников
происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней
Ферми в результате установления термодинамического равновесия (рис. 1.26). Остальные
энергетические уровни и зоны должны соответственно изогнуться, т. е. в гетеропереходе возникают
диффузионное поле и контактная разность потенциалов. При этом энергетический потолок верхней
свободной зоны должен быть непрерывным. Энергетический уровень потолка верхней свободной зоны
является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, т. к. свободные энергетические зоны
перекрывают друг друга.
Рис. 1.26. Зонные энергетические диаграммы гетеропереходов:
а – выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками p- и n-типа с преимущественной инжекцией
электронов в узкозонный полупроводник;
б – выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками n-типа без инжекции неосновных носителей
заряда
Ширина энергетических зон различных полупроводников различна. Поэтому на границе раздела двух
полупроводников получается обычно разрыв дна проводимости. Разрыв дна зоны проводимости
определяется различием энергий сродства к электрону двух контактирующих полупроводников (энергия
сродства к электрону – разница энергий потолка верхней свободный зоны и дна проводимости).
В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны высота потенциальных
барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью
гетеропереходов, обусловливающей специфические свойства гетеропереходов в отличие p-n-переходов,
которые формируются в монокристалле одного полупроводника.
Если вблизи границы раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход, возникают
обедненные основными носителями слои, то основная часть внешнего напряжения, приложенного к
структуре с гетеропереходом, будет падать на обедненных слоях. Высота потенциального барьера для
основных носителей заряда будет изменяться: уменьшается при полярности внешнего напряжения,
противоположной полярности контактной разности потенциалов, и увеличивается при совпадении
полярностей внешнего напряжения и контактной разности потенциалов. Таким образом, гетеропереходы
могут обладать выпрямляющим свойством.
Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов (ПБЭ) и дырок (ПБД) прямой ток
через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака. Поэтому
гетеропереходы могут быть как инжектирующими неосновные носителя заряда (рис. 1.26, а), так и
неинжектирущими (рис. 1.26, б). Инжекция неосновных носителей заряда происходит всегда из
широкозонного в узкозонный полупроводник. В гетеропереходах, образованных полупроводниками
одного типа электропрводности, выпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заряда
12. Вольт-амперные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером. Укажите на них участки,
соответствующие различным режимам работы. Как по ВАХ определить h-параметры.
Входные и выходные ВАХ транзистора в схеме с общим эмиттером.
Входные ВАХ (зависимость тока базы от напряжения на переходе эмиттер-база при постоянном напряжении
эмиттер-коллектор) имеют следующий вид:
При отсутствии коллекторного напряжения, ток базы максимален, это связано с тем, что он проходит через прямо
смещенный p-n-переход. При появлении напряжения ток базы снижается и при малых напряжениях на базе становится
отрицательным. Это связано с тем, что коллекторное напряжение создает обратный ток базы, имеющий направление
противоположное обычному току базы, он создает на сопротивлении базы падение напряжения. Для его компенсации к
базе необходимо приложить большее напряжение. Также причиной уменьшение тока базы также при увеличении
напряжения на коллекторе, является эффект Эрли.
Выходные характеристики (зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе
базы) имеют следующий вид:
1.2. Методика графического определения H–параметров транзистора
Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем
определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры
необходимо задать рабочую точку, например А (IбА, UкэА), в которой требуется найти
параметры.
Параметры h11э и h12э находят по входной характеристики Uбэ =1(Iб)|Uкэ=const.
Определим h11э для заданной рабочей точки А (IбА, UкэА). На входной характеристике
находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.1.8). Выбираем вблизи
рабочей точки А две вспомогательные точки А1 и А2(приблизительно на одинаковом
расстоянии), определим по ними Uбэ и Iб и рассчитаем входное дифференциальное
сопротивление, по формуле:
h11э=(Uбэ /Iб)|Uкэ=const.
Приращения Uбэ и Iб выбирают так, чтобы не выходить за пределы линейного участка,
их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.
Графическое определение параметра h12э = Uбэ /Uкэ затруднено, так как семейство
входных характеристик при различных Uкэ0 практически сливается в одну (рис.1.8.).
Параметры h22э и h21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора
Iк=1 (Uкэ) (рис.1.9).
Параметр h21э= (Iк /Iб) |Uкэ=const находится в заданной рабочей точке А (IбА, UкэА). Для
нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки А1 и А2 вблизи рабочей
точки А при постоянном Uкэ =Uкэ0. Приращение тока базы Iб следует брать, как Iб=Iб2 –
Iб1, где Iб2 и Iб1 определены как токи базы в точках А2 и А1. Этому
приращению Iб соответствует приращение коллекторного тока Iк = Iк2 – Iк1, где Iк2 и
Iк1.определены в точках точках А2и А1. Тогда дифференциальный коэффициент передачи
тока базы рассчитаем по формуле h21э= (Iк /Iб) )|Uкэ=const .
Параметр h22э=(Iк/Uкэ)Iб=const определяется по наклону выходной характеристики
(рис.1.9) в заданной рабочей точке А (IбА, UкэА), при постоянном токе базы Iб. Для
нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки точки А*1 и А*2 . Для этих
точек определяют U*кэ|Iб = IбА =Uк2 – Uк1 – приращение коллекторного напряжения, и
приращение коллекторного тока I*к= I*к2 – I*к1. При этом из семейства выходных
характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном
значение тока базы Iб=IбА .
Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то
такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними
значения тока базы которых известно, и присвоить ей свое значение тока базы равное IбА .
13. p-n переход в равновесном состоянии. Физические процессы в p-n переходе. Распределение поля и потенциала в p-n
переходе. Ширина p-n перехода в зависимости от концентрации примесей (качественное рассмотрение).
Работа целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана
на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости, либо в
точечном контакте полупроводника с металлом. Граница между двумя областями монокристалла
полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p, а другая – типа n называется
электронно-дырочным переходом. Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут
быть равными или существенно отличаться.
p-n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны
называют симметричным.
Если
концентрации
основных
носителей
заряда
различны
,
(
или
) и отличаются в 100...1000 раз, то такие переходы
называют несимметричными. Несимметричные p-n-переходы используются шире, чем симметричные,
поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.
Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис. 1.12) в котором с одной стороны введена акцепторная
примесь, обусловившая возникновение здесь электропроводности типа p, а с другой стороны введена
донорная примесь, благодаря которой там возникла электропроводность типаn. Каждому подвижному
положительному носителю заряда в области p (дырке) соответствует отрицательно заряженный ион
акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической решетки, а в
области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной
примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным.
Рис. 1.12. Начальный момент образования p-n-перехода
Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают
перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Так дырки будут
диффундировать из области p в область n, а электроны – наоборот, из области n в областьp. Это
направленное навстречу друг другу перемещение электрических зарядов образует диффузионный ток pn-перехода. Но как только дырка из области p перейдет в область n, она оказывается в окружении
электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n. Поэтому велика
вероятность того, что какой-либо электрон заполнит свободный уровень в дырке и произойдет явление
рекомбинации, в результате которой не будет ни дырки, ни электрона, а останется электрически
нейтральный атом полупроводника. Но если раньше положительный электрический заряд каждой дырки
компенсировался отрицательным зарядом иона акцепторной примеси в области p, а заряд электрона –
положительным зарядом иона донорной примеси в области n, то после рекомбинации дырки и электрона
электрические заряды неподвижных ионов примесей, породивших эту дырку и электрон, остались не
скомпенсированными. И в первую очередь не скомпенсированные заряды ионов примесей проявляют
себя вблизи границы раздела (рис. 1.13), где образуется слой пространственных зарядов, разделенных
узким промежутком
. Между этими зарядами возникает электрическое поле, которое называют полем
потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон, обусловливающих это
поле, называют контактной разностью потенциалов
.
Рис. 1.13. p-n-переход при отсутствии внешнего напряжения
Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов. Так
дырки в области p – основные носители, попадая в зону действия этого поля, испытывают со стороны
него тормозящее, отталкивающее действие и, перемещаясь вдоль силовых линий этого поля, будут
вытолкнуты вглубь области p. Аналогично, электроны из области n, попадая в зону действия поля
потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубь области n. Таким образом, в узкой области
,
где действует поле потенциального барьера, образуется слой, где практически отсутствуют свободные
носители электрических зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением. Это так
называемый запирающий слой.
Если же в области p вблизи границы раздела каким-либо образом окажется свободный электрон,
являющийся неосновным носителем для этой области, то он со стороны электрического поля
потенциального барьера будет испытывать ускоряющее воздействие, вследствие чего этот электрон
будет переброшен через границу раздела в область n, где он будет являться основным носителем.
Аналогично, если в области n появится неосновной носитель – дырка, то под действием поля
потенциального барьера она будет переброшена в область p, где она будет уже основным носителем,
Движение неосновных носителей через p-n-переход под действием электрического поля потенциального
барьера обусловливает составляющую дрейфового тока.
При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между
потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, то есть между диффузионной и
дрейфовой составляющими тока p-n-перехода, поскольку эти составляющие направлены навстречу друг
другу.
Потенциальная диаграмма p-n-перехода изображена на рис. 1.13, причем за нулевой потенциал
принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе
раздела потенциальный барьер с высотой
. На рис. 1.13 изображен потенциальный барьер для
электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево (из области n в область p).
Если отложить вверх положительный потенциал, то можно получить изображение потенциального
барьера для дырок, диффундирующих слева на право (из области pв область n).
При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле
полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости.
Однако, поскольку в полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается к потолку валентной
зоны
, а в полупроводниках n-типа – ко дну зоны проводимости
, то на ширине p-n-
перехода
барьер:
диаграмма энергетических зон (рис. 1.15) искривляется и образуется потенциальный
(1.13)
,
где
– энергетический барьер, который необходимо преодолеть электрону в области
, чтобы он мог
перейти в область p, или аналогично для дырки в области p, чтобы она могла перейти в областьn.
Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении
изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.
Рис. 1.14. Зонная диаграмма p-n-перехода, иллюстрирующая баланс токов в равновесном состоянии
1.
2.
p-n-переход образуется на границе p- и n-областей, созданных в монокристалле полупроводника.
В результате диффузии в p-n-переходе возникает электрическое поле – потенциальный барьер,
препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях.
3.
При отсутствии внешнего напряжения
в p-n-переходе устанавливается динамическое
равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному
неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p-n-переход становится равным нулю.
При прямом смещении p-n-перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает
относительно большой диффузионный ток.
При обратном смещении p-n-перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток
уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток. Это говорит о
том, что p-n-переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко
используется для выпрямления переменных токов.
Ширина p-n-перехода зависит: от концентраций примеси в p- и n-областях, от знака и величины
4.
5.
6.
приложенного внешнего напряжения
. При увеличении концентрации примесей ширина p-nперехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p-n-перехода
уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p-n-перехода увеличивается.
14. Работа биполярного транзистора в режиме ключа. (большой импульсный сигнал).
При работе транзистора в ключевом режиме его включают обычно в цепь по схеме с общим эмиттером.
Контакты цепи, которые необходимо коммутировать подключают соответственно к коллектору и
эмиттеру транзистора. Управляющий сигнал подают в цепь базы. При работе транзистора в ключевом
режиме цепь между коллектором и эмиттером может быть либо замкнута, либо разомкнута.
Рис. 8.1. Работа транзистора в ключевом режиме.
В ключевом режиме ток коллектора должен принимать только два значения:
а) 0- при разомкнутом состоянии;
б) определенное внешним
и внешним
.
Анализ работы транзистора в ключевом режиме проводят по выходным характеристикам транзистора.
При работе транзистора в активном усилительном режиме рабочая точка может находиться в любом месте
участка нагрузочной прямой, а при работе в ключевом режиме, рабочая точка может иметь только два
положения на нагрузочной прямой: крайнее нижнее соответствует минимальному току коллектора (
тепловой ток). При этом транзистор закрыт и находится в режиме отсечки, когда и коллекторный и
эмиттерный переходы смещены в обратном направлении.
-
Рис. 8.2. Выходная характеристика транзистора.
Второе положение - крайнее верхнее положение рабочей точки на нагрузочной прямой. Это положение
соответствует открытому состоянию транзисторного ключа. транзистор работает в режиме насыщения.
Когда и коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. При этом падение
напряжения между коллектором и эмиттером транзистора минимально. Для реальных транзисторов это так
называемое остаточное напряжение может составлять десятые доли вольт. Это малое остаточное
напряжение практически не влияет на величину коммутирующего тока.
15. Устройство и принципы работы туннельно-резонансной структуры
При более детальном рассмотрении эффекта прохождение электронов через потенциальные барьеры,
создаваемые всей совокупностью заряженных частиц при контакте двух, например, полупроводниковых
материалов, было установлено несколько интересных фактов. Оказалось, что в структуре со сверхмалыми
размерами свойства этого эффекта зависят от энергии электронов внутри самой структуры. В результате
чего в наноструктуре с двумя потенциальными барьерами наблюдается резкое возрастание протекающего
через нее тока только при совпадении энергии электронов в электроде, поставляющем электроны, и
свободного энергетического уровня в наноструктуре. Это явление получило название «резонансное
туннелирование».
Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 году японским исследователем Л.
Эсаки. Однако экспериментальные резонансно-туннельные диоды и транзисторы появились лишь в начале
90-х годов XX века.
Резонансно-туннельный диод представляет собой сложную периодическую структуру (рис. 7.3 а), размеры
некоторых областей которой составляют несколько нанометров.
б)
а)
Рис. 7.3. Структура (а) и вольт-амперная характеристика (б) резонансно-туннельного диода
Рассмотрим работу резонансно-туннельного диода. Ток, протекающий через него, зависит от величины
приложенного напряжения. Если приложенное напряжение мало, и энергия электронов, проходящих через
потенциальный барьер, меньше энергии дискретного уровня, то прозрачность барьера и, следовательно,
протекающий ток будут малы. Ток достигает максимального значения при таких напряжениях, когда энергия
электронов равна энергии дискретного уровня. При более высоких напряжениях энергия электронов станет
больше энергии дискретного уровня, и прозрачность барьера для электронов уменьшится. При этом ток также
уменьшится. Вольт-амперная характеристика резонансного туннельного диода показана на рис. 7.3 б. Видно,
что на вольт-амперной характеристике имеется максимум и участок с отрицательным дифференциальным
сопротивлением (рис. 7.3 б – область уменьшения тока при увеличении напряжения), что чрезвычайно
привлекательно для создания многоуровневых логических элементов, элементов памяти и твердотельных
сверхвысокочастотных генераторов.
Добавление управляющего электрода к резонансно-туннельному диоду превращает его в резонанснотуннельный транзистор и расширяет возможности его применения. Такие транзисторы имеют частоты
переключения порядка 10
12
Гц, что в 100-1000 раз выше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов из
современных интегральных микросхем.
16. p-n переход в неравновесном состоянии. Ток инжекции. Экстракция носителей. Коэффициент и уровень инжекции.
p-n переход в неравновесном состоянии
В случае подачи внешнего напряжения на p-n переход его равновесие нарушается и через
переход проходят токи, которые отличаются от токов в равновесном состоянии. В общем случае
носители заряда движутся через p-n переход под действием градиента концентрации и
электрического поля, по этому полная плотность тока состоит из диффузионной и дрейфовых
составляющих.
Обратным смещением p-n перехода называют такое подключение внешнего источника, при
котором на p-область подается '-', а на n-область '+'. Иначе смещение p-n перехода называют
прямым.
Электрическое поле препятствует диффузии основных носителей через переход. Поэтому даже
при небольшом внешнем напряжении диффузия полностью прекращается, и через переход
начинает проходить только дрейфовый ток неосновных носителей заряда. Этот ток называют
обратным. Так как концентрация неосновных носителей незначительна, то и обратный ток через
переход будет иметь малое значение.
В случае прямого смещения ширина перехода уменьшается, а в случае обратного увеличивается.
Инжекция и экстракция носителей заряда
Если изменить высоту потенциального барьера и ширину p-n перехода при прямом и обратном
смещении, то изменятся и граничные концентрации неосновных носителей заряда. Концентрация
носителей pn и np
Что следует выделить:
1. Концентрация носителей pn и np увеличивается по сравнению с равновесной, если напряжение
подано в прямом направлении. Процесс нагнетания неосновных носителей в соседние области
называют инжекцией.
2. Концентрация pn и np уменьшается по сравнению с равновесной, если напряжение подано в
обратном направлении.
Процесс вытягивания неосновных носителей из соседних областей называют экстракцией. В
несимметричных переходах концентрации неосновных носителей в областях p и т отличаются на
несколько порядков. Поэтому концентрация неосновных носителей будет значительно большей в
высокоомной области. Таким образом, в реальных несимметричных p-n переходах инжекция
имеет односторонний характер. Неосновные носители инжектируются из низкоомного слоя в
высокоомный. Низкоомный слой называют эмитером, высокоомный - базой
Уровень инжекции
При прямом смещении перехода концентрация дырок на его базовой границе уменьшается.
Избыточные дырки "уходят" в глубину базы. По мере удаления от перехода их концентрация
уменьшается из-за рекомбинации и позже формируется некое распределение избыточных дырок.
Инжекция дырок в базу нарушает еѐ электронейтральность и способствует приливу черезмерных
электронов из внешней цепи. Эти электроны, да бы компенсировать избыточный заряд дырок,
распределяются так же как и дырки. Но незначительное отличие между кривыми распределения
электронов и дырок есть всегда, так как в состоянии полной электронейтральности нет силы
которая могла бы противодействовать диффузии электронов в сторону от перехода, и их
распределение не могло бы быть стационарным.
Интенсивность диффузии носителей в базу обычно характеризуют уровнем инжекции:
Δpn(0), Δnn(0) - граничные концентрации избыточных дырок электронов;
nn0 - концентрация равновесных электронов.
Распредиление носителей заряда в базе, при прямом (а) и обратном смещении (б) p-n перехода.
Обратное смещение p-n перехода приводик к экстракции неосновных носителей из соседних
областей. Неосновные носител, которые попадают в переход, перебрасываются его полем в
соседнюю область. Поэтому концентрация неосновных носителей заряда в областях p и n на
границе с обьемным зарядом при обратном смещении всегда равна нулю.
17. Особенности устройства биполярных транзисторов с гетеропереходами. Преимущества применения гетеропереходов
в биполярных транзисторах
Транзистор с гетеропереходом имеет широкозонный эмиттер n-типа из AlxGa1-xAs, базу p-типа из GaAs и коллектор nтипа из GaAs. Характерной особенностью гетеропереходов, которые образованы полупроводниками с различной
шириной запрещенной зоны, является наличие потенциальных скачков (барьеров) как в зоне проводимости, так и в
валентной зоне. В результате транзисторы с гетеропереходами имеют следующие преимущества:
1) высокую эффективность эмиттера из-за крайне малой инжекции дырок из базы в эмиттер, чему препятствует высокий
потенциальный барьер
в валентной
зоне;
2) малое сопротивление базы из-за ее сильного легирования без снижения эффективности эмиттера, что также связано с
наличием
высоких
потенциальных
барьеров
в
области
эмиттерного
перехода;
3) лучшую переходную характеристику по сравнению с обычным транзистором из-за высокого коэффициента усиления
по току и низкого сопротивления
базы;
4) возможность работы при повышенных температурах вплоть до Т ~ 350оС. В настоящее время разработаны
транзисторы с β0 ≈ 350, с граничной частотой в несколько ГГц.
18. Нарисуйте структуру дискретного МДП-транзистора с индуцированным n каналом. Объясните принцип управления
током, идущим через транзистор. Нарисуйте его ВАХ.
Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.
На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны
с повышенной электропроводностью N+-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния
SiO2. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N+-типа, называемые стоком и истоком.
Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с
истоком
Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.
Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку
между зонами N+ находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное
напряжение относительно истока Uзи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки)
из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут
электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.
Когда Uзи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию
дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток Iси. Чем
выше напряжение на затворе транзистора Uзи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы
полевого транзистора называется режимом обогащения.
Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное
напряжение относительно истока.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.
ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PNпереходом. Как видно на графике а), вначале ток Iси растет прямопропорционально росту напряжения Uси. Этот участок
называют омическая область(действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями
заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток I си практически не растет. Этот участок
называют активная область.
Когда Uси превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника
разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в
негодность.
19. ВАХ идеального и реального p-n перехода. Физические причины наблюдаемой зависимости. Тепловой ток.
Сопротивление базы. Происхождение токов рекомбинации и генерации.
Вольт-амперная характеристика p-n-перехода – это зависимость тока через p-n-переход от
величины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитывают исходя из предположения, что
электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т. е. все напряжение приложено к p-n-переходу.
Общий ток через p-n-переход определяется суммой четырех слагаемых:
(1.15)
,
где
– электронный ток дрейфа;
– дырочный ток дрейфа;
– электронный ток диффузии;
– дырочный ток диффузии;
– концентрация электронов, инжектированных в p-область;
– концентрация дырок, инжектированных в n-область.
При
этом
примесей
концентрации
и
неосновных
носителей
и
зависят
от
концентрации
следующим образом:
,
,
где
,
– собственные концентрации носителей зарядов (без примеси) электронов и дырок
соответственно.
Скорость диффузии носителей заряда
можно допустить близкой к их скорости
дрейфа
в слабом электрическом поле при небольших отклонениях от условий равновесия. В
этом случае для условий равновесия выполняются следующие равенства:
,
.
Тогда выражение (1.15) можно записать в виде:
(1.16)
Обратный ток
можно выразить следующим образом:
,
где
– коэффициент диффузии дырок или электронов;
электронов. Так как параметры
температуры, обратный ток
,
,
,
– диффузионная длина дырок или
очень сильно зависят от
иначе называют тепловым током.
При прямом напряжении внешнего источника
экспоненциальный член
в
выражении (1.16) быстро возрастает, что приводит к быстрому росту прямого тока, который как уже было
отмечено, в основном определяется диффузионной составляющей.
При обратном напряжении внешнего источника
экспоненциальный член много
меньше единицы и ток p-n-перехода практически равен обратному току
, определяемому, в основном,
дрейфовой составляющей. Вид этой зависимости представлен на рис. 1.19. Первый квадрант
соответствует участку прямой ветви вольт-амперной характеристики, а третий квадрант – обратной
ветви. При увеличении прямого напряжения ток p-n-перехода в прямом направлении вначале возрастает
относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к
дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. Если количество выделяемого при этом
тепла будет превышать количество тепла, отводимого от полупроводникового кристалла либо
естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения, то могут произойти в
полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки.
Поэтому прямой ток p-n-перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем
перегрев полупроводниковой структуры. Для этого необходимо использовать ограничительное
сопротивление последовательно подключенное с p-n-переходом.
Рис. 1.19. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода
При увеличении обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу обратный ток изменяется
незначительно, так как дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратном
включении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения
приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества.
Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения, при котором начинается
интенсивный рост обратного тока – так называемый пробой p-n-перехода.
2.2. P-n-переход при подаче внешнего напряжения
Рассчитаем прямой и обратный токи p-n-перехода, исходя из основных процессов в базе диода. Будем по-прежнему
считать, что концентрация донорной примеси в эмиттере ND = nn значительно превышает концентрацию акцепторной
примеси в базе NA = pp. В этом случае и при прямом и при обратном напряжении можно учитывать только
электронную составляющую тока i = in + ip in .
В самом деле, при прямом напряжении прямой ток определяется потоком основных носителей заряда, а т.к. nn » pp , то
дырочной составляющей прямого тока можно пренебречь. При обратном напряжении обратный ток определяется
потоком неосновных носителей заряда; поскольку
,
то и в этом случае дырочной составляющей обратного тока можно пренебречь.
Рассматривая процессы в p-n-переходе при подаче внешнего напряжения будем так же полагать, что сопротивление
обедненной области, где подвижных носителей заряда практически нет, значительно больше, чем сопротивление
областей n- и p-типа вне перехода. Это допущение позволит считать, что все внешнее напряжение падает на p-nпереходе и контактная разность потенциалов соответственно изменяется до величины K0±U, где знак ―-‖ соответствует
падению потенциального барьера вследствие подачи прямого напряжения на p-n-переход, а знак ―+‖ - при подаче
обратного напряжения(см. рис.2.2,а).
Распределение потенциала вдоль структуры p-n-перехода показано на рис.2.2,б.
При прямом напряжении (U >0) уменьшение потенциального барьера приводит к преобладанию потока электронов
из эмиттера в базу (ПОНЗ) над потоком электронов из базы в эмиттер (ПННЗ). При этом электроныинжектируются в
базу и концентрация электронов на границе xp возрастает до величины
, которая уже при U=0,26 В (
=0,026В)
значительно превышает равновесную концентрацию в базе. Таким образом,
инжекция электронов в базу приводит к появлению неравновесных носителей в базе n(xp) = n (xp) np . Вследствие возникшего градиента концентрации в базе начинается процесс диффузии электронов от границы
перехода xp в глубину p-базы. По мере движения неравновесная концентрация уменьшается за счет рекомбинации.
Таким образом, три процесса определяют распределение неравновесной концентрации в базе p-n-перехода при прямом
напряжении:
- инжекция - вызывает увеличение граничной концентрации n(xp), то есть приводит к появлению неравновесных
носителей заряда в базе;
- диффузия - является причиной движения электронов (ННЗ) через базу;
- рекомбинация - приводит к уменьшению неравновесной концентрации в базе вдали от p-n-перехода.
Распределение концентрации электронов в базе показано на рис. 2.2,в, оно описывается уравнением (1.34)
,
где
n(x=xp=0) - граничная концентрация ,
Ln -диффузионная длина электронов в базе.
Прямой электронный ток через p-n-переход может быть определен в любом сечении двухэлектродной структуры,
однако удобнее это сделать в сечении xp, где задана граничная концентрация .электронов
По своей природе электронный ток в сечении xp является диффузионным и может быть рассчитан по формуле (1.44)
,
где S - площадь p-n-перехода, q - заряд электрона, Dn - коэффициент диффузии электронов.
С учетом
прямой ток p-n- перехода определяется выражением:
.
(2.5)
Обозначим
, эта величина имеет размерность тока, определяется концентрацией
неосновных носителей заряда в базе np и называется тепловым током i0.
Проведя аналогичные рассуждения для обратного смещения, отметим следующее: p-n-переход при обратном
смещении экстрагирует (выводит) электроны из базы. Граничная концентрация уменьшается по сравнению с
равновесной и определяется выражением:
,
которое отличается от соответствующего выражения при прямом напряжении полярностью напряжения U в экспоненте.
Три процесса определяют обратный ток p-n-перехода:
- экстракция электронов из базы;
- диффузия их из глубины базы к границе перехода xp;
- генерация пар электрон - дырка в областях, где n(x)<np.
Распределение потенциала (x) и концентрации n(x) для обратного напряжения приведены на рис. 2.2 г,д,е - правый
столбец.
Вывод выражения для электронной составляющей обратного тока через p-n-переход полностью аналогичен выводу
прямого тока.
Выражение для электронной составляющей обратного тока отличается от (2.5) только знаком внешнего напряжения и
имеет вид :
.
Таким образом, ВАХ p-n-перехода описывается выражением
,
где i0 - тепловой ток p-n-перехода, с учетом дырочной составляющей тепловой ток может быть записан в виде:
.
(2.6)
Тепловой ток p-n-перехода определяется потоками ННЗ и зависит от концентрации примеси ( так как np = ni2/NA; pn =
ni2/ND ) и температуры (так как: ni2~ exp T2 ).
Увеличение температуры p-n- перехода приводит к увеличению теплового тока, а, следовательно, к возрастанию
прямого и обратного токов.
Увеличение концентрации легирующей примеси приводит к уменьшению теплового тока, а, следовательно, к
уменьшению прямого и обратного токов p-n-перехода.
На рис. 2.3 построена ВАХ идеального p-n-перехода, полученного при принятых нами допущениях. При построении
ВАХ примем T= 300К, тогда kT/q = 0,026В. Оценим прямой и обратный токи p-n перехода при подаче внешнего
напряжения U=±0,26 В. При
U=+0,26 В (прямое напряжение) (2.5) приводится к виду:
i = i0• (exp 10 – 1) i0·exp 10 >> i0
Таким образом, уже при U = 0,26 В величина прямого тока
значительно превышает тепловой ток p-n перехода.
При U = - 0,26 В (обратное напряжение)
i = i0 · (exp–10 – 1) - i0.
Таким образом, при обратном напряжении через p-n
переход протекает тепловой ток i0 , значение которого не
зависит от величины приложенного обратного напряжения.
ВАХ p-n-перехода представляет собой нелинейную
зависимость между током и напряжением. В общем случае к p-n-переходу может быть приложено как постоянное
напряжение, определяющее рабочую точку на характеристике, так и переменное напряжение, амплитуда которого
определяет перемещение рабочей точки по характеристике. Если амплитуда переменного напряжения мала,
перемещение рабочей точки не выходит за пределы малого участка характеристики и его можно заменить прямой
линией. Тогда между малыми амплитудами тока и напряжения (или между малыми приращениями тока и напряжения i
и u) существует линейная связь. В этом случае p-n-переход на переменном токе характеризуют дифференциальным
сопротивлением rpn:
.
Аналитическое выражение rpn получим, дифференцируя (2.5)
При прямом напряжении rpn мало и составляет единицы - сотни ом, а при обратном напряжении - велико и составляет
сотни и тысячи килоом.
Дифференциальное сопротивление можно определить графически по характеристике. (См. рис. 2.3, где указаны u
и i).
2.3. ВАХ реального p-n-перехода
На рис.2.4 приведена вольтамперная характеристика реального p-n- перехода, здесь же пунктиром показана
характеристика идеального p-n-перехода. Рассмотрим основные причины, приводящие к отличию характеристик.
При прямом напряжении на p-n- переходе (область 1 ) отклонение реальной характеристики от идеальной связано с
конечным ( не нулевым) сопротивлением слаболегированной области базы (rБ'). Часть внешнего напряжения U падает на
объемном сопротивлении базы rБ', поэтому напряжение на p-n-переходе уменьшается до величины Upn=U-i rБ'. С
учетом сопротивления базы, прямой ток реального p-n-перехода описывается уравнением:
.
(2.7)
Таким образом, при одинаковой величине поданного напряжения ток реального p-n-перехода будет меньше, чем
идеального.
При обратном напряжении обратный ток реального перехода оказывается больше чем ток идеального перехода, и, кроме
того, величина обратного тока зависит от обратного напряжения (область 2 на рис. 2.4). Причиной этого
отличия является то, что при выводе выражения (2.5) нами не учитывалась тепловая генерация в области объемного
заряда. Вследствие малой концентрации носителей заряда в p-n-переходе скорость генерации пар носителей зарядов в
этой области преобладает над скоростью рекомбинации; любая пара носителей заряда, генерируемая в этой области,
разделяется полем перехода, а , следовательно, к тепловому
току добавляется генерационная составляющая.
При обратном напряжении обратный ток реального перехода
оказывается больше, чем ток идеального перехода, а, кроме
того, величина обратного тока зависит от обратного
напряжения (область 2 на рис. 2.4). Причиной этого отличия
является то, что при выводе выражения (2.5) нами не
учитывалась тепловая генерация в области объемного заряда.
Вследствие малой концентрации носителей заряда в p-nпереходе, скорость генерации пар носителей заряда в этой
области преобладает над скоростью рекомбинации; любая
пара носителей заряда, генерируемая в этой области,
разделяется полем перехода, а следовательно, к тепловому
току добавляется генерационная составляющая ( Рис. 2.5).
Величина тока генерации пропорциональна ширине p-n- перехода, а следовательно, зависит от приложенного обратного
напряжения. Для германиевых p-n-переходов обе составляющие обратного тока одного порядка; для кремниевых p-nпереходов ток генерации на несколько порядков может превышать тепловой ток.
При достаточно больших обратных напряжениях (область 3 на рис. 2.4) в p-n-переходе может произойти пробой.
Пробоем называется неограниченное увеличение тока при постоянном или даже уменьшающемся напряжении на p-nпереходе.
Различают три вида пробоя: лавинный, туннельный, тепловой.
Лавинный пробой ( область 3, рис. 2.4) связан с возникновением ударной ионизации атомов полупроводника в области
объемного заряда при высокой напряженности электрического поля . При больших обратных напряжениях процесс
ударной ионизации лавинообразно нарастает, что приводит к увеличению обратного тока.
Туннельный пробой связан с туннельными переходами электронов сквозь узкий и высокий потенциальный барьер.
Такой пробой возникает в p-n-переходах на базе сильнолегированных областей n- и p-типа.
Лавинный и туннельный пробои обратимы, то есть при включении в цепь p-n-перехода ограничивающего ток
сопротивления эти виды пробоя не приводят к разрушению p-n-перехода.
Тепловой пробой ( область 4, рис. 2.4) наступает при условии, когда выделяемая в p-n-переходе мощность
РВЫД. оказывается больше, чем отводимая. В этом случае температура p-n-перехода лавинообразно возрастает, что в
конечном счете приводит к необратимому разрушению p-n-перехода. Чтобы предотвратить тепловой пробой,
необходимо улучшать теплоотвод от p-n-перехода.
Чтобы вывести зависимость величины тока через p — n-переход от внешнего смещающего напряжения V, мы должны
рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи. В дальнейшем будем обозначать символом J плотность потока
частиц, а символом j — плотность электрического тока; тогда je = −eJe, jh = eJh.
Вольт-амперная характеристикаp — n-перехода. Is — ток насыщения, Uпр — напряжение пробоя.
При V = 0 как Je, так и Jh обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через
переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При V ≠ 0 баланс
нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток через обеднѐнный слой. Он включает следующие две компоненты:
1.
Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n-области в p-область перехода. Как видно из названия, этот ток
обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно в n-области обеднѐнного слоя при тепловом возбуждении
электронов с уровней валентной зоны. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) в n-области
чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в
переносе тока через переход. Это происходит потому, что каждая дырка, попадающая в обеднѐнный слой, тут же
перебрасывается в p-область под действием сильного электрического поля, которое имеется внутри слоя. В
результате величина возникающего тока генерации не зависит от значения изменения потенциала в обеднѐнном
слое, поскольку любая дырка, оказавшаяся в слое, перебрасывается из n-области в p-область.
2.
Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p-области в n-область. Электрическое поле в обеднѐнном
слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднѐнного слоя, имея
достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации.
Число таких дырок пропорционально e−eΔФ/kT и, следовательно,
Jrech∼e−e[(Δϕ)0−V]kBT
В отличие от тока генерации ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения V. Мы
можем сравнить величины этих двух токов, заметив, что при V = 0 суммарный ток через переход отсутствует:Jhrec(V = 0) =
Jhgen Из этого следует, что Jhrec = JhgeneeV/kT. Полный дырочный ток, текущий из p-области в n-область, представляет собой
разность между токами рекомбинации и генерации:
Jh = Jhrec − Jhgen = Jhgen(eeV/kT − 1).
Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и
рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам. Поскольку электроны имеют
противоположный заряд, электрические токи генерации и рекомбинации электронов совпадают по направлению с
электрическими токами генерации и рекомбинации дырок. Поэтому полная плотность электрического тока есть j = e(Jhgen +
Jegen)(eeV/kT − 1).
20.Особенности транзисторов интегральных схем. Паразитный транзистор. Скрытая n+ область.
7.1.1. Биполярный транзистор
Биполярный транзистор является распространенным активным элементом в современных
интегральных микросхемах. Структура биполярного транзистора в интегральных микросхемах
отличается от структуры дискретного транзистора изоляцией от подложки.
Биполярные транзисторы микросхем формируются на полупроводниковой подложке p-типа в
изолированных от нее областях n-типа, называемых карманами. Изоляция карманов от подложки может
быть выполнена несколькими способами. Самый идеальный способ изоляции с помощью диоксида
кремния, однако, он является технологически сложным (рис. 7.2, а). Наиболее простой способ изоляции с
помощью обратносмещенного p-n-перехода, но он несовершенен из-за наличия обратного тока
(рис. 7.2, б). Основным методом изоляции при производстве интегральных микросхем является создание
комбинированной изоляции, сочетающей два предыдущих (рис. 7.2, в).
Рис. 7.2. Способы изоляции карманов от подложки
Наибольшее распространение получили транзисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой все
выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки (рис. 7.3).
Такая структура называется планарной. Структура состоит из эмиттерной 1, базовой 2 и коллекторной 3
+
областей. Под коллекторной областью расположен скрытый n -слой 4. От внешних воздействий
структура защищена диоксидом кремния
5, в котором имеются окна 6 для присоединения
металлических выводов 7 к соответствующим областям структуры.
+
Рис. 7.3. Структура биполярного транзистора со скрытым n -слоем
Особенностью данной структуры является то, что вывод от коллекторной области интегрального
транзистора осуществляется на верхней поверхности кристалла. Поэтому для уменьшения объемного
+
+
сопротивления области коллектора создается скрытый n -слой. Однако даже при наличии скрытого n -
слоя сопротивление коллекторной области интегрального транзистора оказывается больше
+
аналогичного сопротивления дискретного транзистора, так как скрытый n -слой отделен от
коллекторного электрода высокоомным слоем коллекторной области. Это приводит к некоторому
ухудшению частотных свойств интегрального транзистора в связи с увеличением постоянной времени
цепи коллектора (времени перезаряда барьерной емкости коллектора). Поэтому граничные
частоты
биполярных
транзисторов
в
интегральных
микросхемах
обычно
не
превышают
. При этом необходимо также учесть, что выходная емкость интегрального
транзистора состоит не только из барьерной емкости коллекторного перехода, но и из барьерной
емкости изолирующего перехода между областью коллектора интегрального транзистора и остальной
частью кристалла.
Основу биполярных интегральных микросхем составляют транзисторы n-p-n-типа, это вызвано
удобствами формирования именно n-p-n-структур и несколько лучшими параметрами интегральных n-pn-транзисторов по сравнению с параметрами интегральных транзисторов p-n-p-типа.
Дело в том, что для формирования сильнолегированных эмиттерных областей транзисторов n-p-n-типа
обычно используют диффузию фосфора, который имеет большую растворимость в кремнии и
относительно малый коэффициент диффузии. Таким образом, для формирования p-n-p-транзистора в
интегральной микросхеме, содержащей n-p-n-транзисторы, необходимо еще провести дополнительную
диффузию какого-то акцептора с предельной растворимостью, превышающей предельную
растворимость фосфора. А такие акцепторы практически отсутствуют.
Поэтому основным приемлемым вариантом интегрального транзистора p-n-p-типа является так
называемый горизонтальный или боковой транзистор (рис. 7.4). Для его формирования не надо вводить
дополнительных технологических операций, так как p-области его эмиттера и коллектора получаются
одновременно при создании p-области базы транзистора n-p-n-типа. Однако горизонтальный p-n-pтранзистор оказывается бездрейфовым из-за однородного легирования его базовой области –
эпитаксиального слоя. Толщина активной части базы горизонтального транзистора получается
относительно большой. Все это приводит к посредственным частотным свойствам горизонтального
транзистора: его граничная частота не превышает обычно нескольких десятков мегагерц.
Рис. 7.4. Структура горизонтального транзистора
У горизонтального транзистора должны быть одинаковыми пробивные напряжения эмиттерного и
коллекторного переходов. Близкими должны быть и коэффициенты передачи тока эмиттера при
нормальном и инверсном включении такого транзистора, так как области эмиттера и коллектора
одинаковы по свойствам.
Горизонтальная структура позволяет легко осуществить многоколлекторный транзистор. Для этого
достаточно кольцевую область коллектора разделить на несколько частей и предусмотреть отдельные
выводы от каждой части – от каждого коллектора. Коэффициент передачи тока для каждого коллектора
будет, конечно, в соответствующее число раз меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы
будут действовать «синхронно», а нагрузки во всех коллекторных цепях будут электрически разделены.
Многоколлекторный
микросхем.
транзистор
оказывается
удобным
для
некоторых
цифровых
интегральных
7.1.2. Биполярный транзистор с диодом Шоттки
Биполярный транзистор в цифровых интегральных микросхемах обычно выполняет функцию ключа, и
все время работает либо в режиме насыщения, либо в режиме отсечки. В режиме насыщения
происходит накопление неосновных носителей заряда в базе транзистора, а также в коллекторной
области. Процессы накопления неосновных носителей и их последующего рассасывания при переводе
транзистора в режим отсечки связаны с относительно медленным процессом диффузии неосновных
носителей заряда. Инерционность этих процессов определяет скорость переключения транзистора из
включенного состояния в выключенное и обратно, т. е. скорость срабатывания схемы.
Для ускорения процесса накопления и рассасывания неосновных носителей заряда целесообразно
ограничить их накопление. Достичь этого можно путем шунтирования коллекторного перехода
транзистора диодом Шоттки, т. е. диодом с выпрямляющим электрическим переходом между металлом и
полупроводником. Структура такого интегрального транзистора показана на рис. 7.5.
Рис. 7.5. Структура транзистора с диодом Шоттки
Алюминиевый электрод образует с p-областью базы омический переход, а переход между
алюминиевым электродом и относительно высокоомной n-областью коллектора получается
выпрямляющим. Из-за неравенства работ выхода электронов из алюминия и из кремния с
электропроводностью n-типа и в результате химической обработки поверхности кремниевого кристалла
на контакте для электронов возникает потенциальный барьер, несколько меньший высоты
потенциального барьера на коллекторном переходе. Поэтому при прямом смещении коллекторного
перехода и соответственно при прямом смещении диода Шоттки основная часть прямого тока
коллектора будет проходить через диод Шоттки. Этот ток связан с движением электронов из n-области
коллектора в металлический электрод и не сопровождается инжекцией дырок в n-область коллектора.
Таким образом, в высокоомной области коллектора практически не происходит накопления неосновных
носителей заряда.
Изготовление интегрального транзистора с диодом Шоттки не требует введения дополнительных
технологических операций. Необходимо лишь изменить соответствующим образом фотошаблон,
применяемый при проведении фотолитографии для снятия диоксида кремния под контакты, и расширить
слой напыляемого алюминия за металлургическую границу коллекторного перехода. Однако при снятии
диоксида кремния в месте выхода коллекторного перехода на поверхность монокристалла кремния и при
обработке этой поверхности перед нанесением алюминиевой металлизации следует предотвратить
возможность загрязнения p-n-перехода коллектора неконтролируемыми примесями.
7.1.3. Полевой транзистор с изолированным затвором
В связи с особенностями структуры МДП-транзисторов их можно формировать без специальных
островков в монокристалле интегральной микросхемы, что упрощает технологию – уменьшает число
технологических операций, удешевляет интегральные микросхемы и дает возможность увеличить
плотность упаковки. Другая особенность и преимущество МДП-транзисторов в качестве активных
элементов интегральных микросхем состоит в том, что при нулевом напряжении на затворе МДПтранзистора с индуцированным каналом ток стока практически отсутствует, т. е. мощность транзистором
потребляется только во время подачи напряжения на затвор. Это уменьшение потребляемой мощности
интегральных микросхем на МДП-транзисторах с индуцированным каналом особенно существенно для
создания логических интегральных микросхем. Важным также является то обстоятельство, что
цифровые интегральные микросхемы могут быть построены целиком на гальванически соединенных
между собой МДП-транзисторах без использования других элементов.
4.5. Полевые транзисторы с изолированным затвором
Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, имеющий один или несколько
затворов, электрически изолированных от проводящего канала.
Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. У
них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Поскольку
металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, то входное сопротивление таких
транзисторов велико (для современных транзисторов достигает
).
Полевые транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов:
со встроенным (собственным) каналом;
с индуцированным (инверсионным) каналом.
Структура в обоих типах полевых транзисторов с изолированным затвором одинакова: металл –
окисел (диэлектрик) – полупроводник, то такие транзисторы еще называют МОП-транзисторами (метал –
окисел – полупроводник) или МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник).
4.5.1. Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом
4.5.2. Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом
4.5.3. Сравнение МДП- и биполярного транзистора
4.5.1. Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом
Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом показано на
рис. 4.6. Он представляет собой монокристалл полупроводника; обычно кремния, где создана
электропроводность какого-либо типа, в рассматриваемом случае p-типа. В нем созданы две области с
электропроводностью противоположного типа (в нашем случае n-типа), которые соединены между собой
тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон сформированы
электрические выводы, которые называют истоком и стоком. На поверхности канала имеется слой
диэлектрика (обычно диоксида кремния
) толщиной порядка
, а на нем методом
напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод –
затвор. Иногда от основания (называемого подложкой (П)) также делается вывод, который накоротко
соединяют с истоком.
Рис. 4.6. Структура полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа
Если
в
отсутствии
напряжения
на
затворе
приложить
между
истоком
и
стоком
напряжение
любой полярности, то через канал потечет ток, представляющий собой поток
электронов. Через подложку ток не потечет, так как один из p-n-переходов будет находится под
действием обратного напряжения.
При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, а следовательно и кристалла,
в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области
канала в основание. Канал обедняется основными носителями – электронами, его сопротивление
увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем
меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения.
При подаче на затвор положительного напряжения, относительно истока, направление поперечного
электрического поля изменится на противоположное, и оно будет, наоборот, притягивать электроны из
областей истока и стока, а также из кристалла полупроводника. Проводимость канала увеличивается, и
ток стока возрастает. Такой режим называется режимом обогащения.
Рассмотренный транзистор, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и режиме
обогащения токопроводящего канала, что иллюстрируют его выходные характеристики (рис. 4.7, а) и
характеристика управления (рис. 4.7, б).
Выходные
транзистора
характеристики МДП-транзистора подобны выходным характеристикам полевого
с управляющим p-n-переходом. Это объясняется тем, что при увеличении
напряжения
от нуля, сначала действует закон Ома и ток растет практически прямо
пропорционально напряжению, а затем при некотором напряжении
канал начинает сужаться, в
большей мере возле стока, т. к. на p-n-переходе между каналом и кристаллом увеличивается обратное
напряжение, область этого перехода, обедненная носителями, расширяется, и сопротивление канала
увеличивается. В результате этого ток стока испытывает два взаимно противоположных процесса и
остается практически постоянным до такого напряжения
пробой.
при котором наступает электрический
Рис. 4.7. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа
Если кристалл полупроводника полевого транзистора имеет электропроводность n-типа,
токопроводящий канал должен быть p-типа. При этом полярность напряжений необходимо изменить на
противоположную.
Полевые транзисторы со встроенным каналом на электрических схемах изображают условными
графическими обозначениями, приведенными на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Условные графические обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (а) и pтипа (б)
4.5.2. Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом
Устройство такого транзистора показано на рис 4.9. От предыдущего транзистора он отличается тем,
что у него нет встроенного канала между областями истока и стока. При отсутствии напряжения на
затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, так как один из p-nпереходов будет обязательно заперт.
Если подать на затвор напряжение положительной полярности относительно истока, то под действием
возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока, а также из
областей кристалла, будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда
напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, то в приповерхностном слое
концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области и
здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n-типа и в цепи стока
появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и
больше ток стока.
Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных
характеристик и характеристики управления показан на рис. 4.10.
Рис. 4.10. Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа
Если кристалл полупроводника имеет электроприводность n-типа, то области истока и стока должны
быть p-типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и канал, если на затвор подавать
отрицательное напряжение относительно истока.
Графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис 4.11.
Рис. 4.11. Условные графические обозначения МДП-транзистора индуцированным каналом n-типа (а)
и p-типа (б)
В последнее время МДП-транзисторы всѐ чаще обозначают термином, заимствованным из зарубежной
литературы, – MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
Выводы:
1.
2.
3.
4.
5.
Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором
управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.
В отличие от полевого транзистора с управляющим p n-переходом входное сопротивление полевого
транзистора с изолированным затвором остается очень большим при любой полярности поданного
на вход напряжения.
Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в
режиме обогащения канала свободными носителями заряда.
Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.
Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по
постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение
полевых транзисторов при разработке микросхем.
4.5.3. Сравнение МДП- и биполярного транзистора
МДП-транзисторы и биполярные транзисторы выполнят одинаковые функции: работают в схеме, или в
качестве линейного усилителя, или в качестве ключа. В табл. 4.1 приведено краткое обещающее
сравнение транзисторов этих двух типов.
Таблица 4.1
Свойства биполярных и МДП-транзисторов
В настоящее время полевые транзисторы вытесняют биполярные в ряде применений. Это связано с
тем, что, во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, т. к.
входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока в МДПтранзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь
изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость
схем на МДП-транзисторах. В-третьих, МДП-транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что
связано с отсутствием инжекции носителей заряда. В-четвертых, полевые транзисторы обладают более
высоким быстродействием, т. к. в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей
заряда. В результате мощные МДП-транзисторы все больше вытесняют биполярные транзисторы там,
где требуется высокое быстродействие и повышенная надежность работы.
Однако МДП-транзисторы имеют и недостатки. Во-первых, вследствие высокого сопротивления канала
в открытом состоянии МДП-транзисторы имеют большее падение напряжения, чем падение напряжения
на насыщенном биполярном транзисторе. Во-вторых, МДП-транзисторы имеют существенно меньшее
значение предельной температуры структуры, равное 150°C (для биполярных транзисторов 200°C).
К числу основных недостатков мощных МДП-транзисторов также следует отнести вредное влияние на
его работу ряда паразитных элементов, возникающих в структуре транзистора на стадии его
изготовления. Все базовые ячейки мощного МДП-транзистора содержат внутренний "паразитный"
биполярный n-p-n-транзистор (рис. 4.12), образованный -истоком (эмиттер), p-областью инверсного
канала (база) и эпитаксиальным слоем (коллектор). Паразитный транзистор фактически параллельно
подключен к рабочему каналу МДП-транзистора.
Рис. 4.12. Паразитные элементы структуры
мощного МДП-транзистора (а), эквивалентная схема базовой ячейки (б)
Для сохранения положительных свойств МДП-транзистора и исключения начала работы биполярного
транзистора часть p-области всегда подключают к металлизированному контакту истока (это
эквивалентно закорачиванию эмиттерного перехода паразитного транзистора). Биполярный транзистор
оказывается запертым и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора. Однако
быстрый спад или, наоборот, рост напряжения "сток - исток" полевого транзистора, что является
обычным в динамических режимах, может привести к несанкционированному открытию паразитного
транзистора, а это, в свою очередь, может привести к выходу из строя всей силовой схемы.
Подключение p-области транзистора к истоку создает еще один дополнительный элемент обратновключенный диод. Поэтому МДП-транзистор проектируют таким образом, что бы данный диод
соответствовал аналогичным показателям МДП-транзистора и имел малое время восстановления
запирающих свойств.
21. Дайте определение порогового напряжения для МДП-структуры. Отличие
идеализированной структуры от реальной.
7.4. Идеализированная структура металл-диэлектрик - полупроводник
7.4.1. Общие сведения о МДП-структуре
Для определенности изложения на рис. 7.7 изображена структура МДПтранзистора с каналом n-типа. Транзистор создается на слаболегированной кремниевой
подложке р-типа с концентрацией акцепторов порядка 1015 см-3. У поверхности подложки 1
методами диффузии донорных примесей или ионного легирования созданы
сильнолегированные истоковая 2 и стоковая 8 области n-типа толщиной около 1 мкм с
концентрацией доноров в них более 1019 см-3. Расстояние между областями истока и стока,
называемое длиной канала L, может составлять от десятых долей до нескольких микрометров. Структура обратима, т.е.
любая из областей 2, 8 может использоваться в качестве истока или стока. На поверхности полупроводника создан
тонкий слой диэлектрика 4 толщиной 0,05...0,1 мкм, в качестве которого обычно используют двуокись кремния SiO2. На
слой диэлектрика нанесен металлический электрод 5, называемый затвором. Металлические слои 3 и 7 образуют
выводы истока и стока. В приповерхностный слой 6 толщиной около 0,1 мкм методом ионного легирования вводят
примеси, тип и концентрация которых определяет тип канала. Если слой 6 легирован донорами, проводящий канал
существует при нулевом напряжении на затвор 5, приборы называются транзисторами со встроенным каналом. Если
слой 6 легирован акцепторами, как и подложка, то при нулевом напряжении затвор-исток канал между истоком и стоком
отсутствует. Но канал n-типа может появиться (индуцироваться) при подаче на затвор относительно истока некоторого
положительного напряжения, превышающего так называемое пороговое напряжение. Такие транзисторы называют
транзисторами с индуцированным каналом.
В следующем параграфе будут рассмотрены физические процессы в структуре металл-диэлектрикполупроводник, входящий в состав МДП-транзисторов.
7.4.2. Физические процессы в идеализированной МДП-структуре.
Будем считать границы металла, диэлектрика и полупроводника плоскими (рис. 7.8). На
рис. 7.9,а приведены энергетические (зонные) диаграммы металла (алюминий), диэлектрика
(двуокись кремния SiO2) и полупроводника (подложка из кремния р-типа), когда они не
контактируют, т.е. не образуют МДП-структуру. [18].
Для представления о масштабе указаны некоторые числовые значения. Энергетический
уровень вакуума обозначен через εв Уровень Ферми алюминия (металла) εFМ смещен вниз от εв на
величину εFМ= 4,1 эВ, называемую работой выхода электронов из алюминия. В средней части
рисунка изображена зонная диаграмма SiO2 с шириной запрещенной зоны около 8 эВ и границами валентной зоны εv и
зоны проводимости εc.
Интервал между εv и εc в полупроводниковой технике связан с понятием сродства электронов с
соотношением
в с
(7.29)
Сродство электронов равно работе, которую нужно совершить, чтобы перевести электрон со дна зоны
проводимости в вакуум, т.е. истинной работе. В окисле SiО2 ок= 0,95 эВ, в кремнии п = 4,05 эВ. Ширина
запрещенной зоны кремния εc – εv=1,12 эВ. Уровень Ферми εFп кремния р-типа находится ниже среднего уровня
запрещенной зоны εi= (εc + εv)/2. В рассматриваемом примере, когда концентрация акцепторов Na ≈ 1015 см-3, расстояние
между уровнем вакуума εв и уровнем Ферми εFп
Фп в F п 4,9эВ
(7.30)
Эта величина называется термодинамической работой выхода электрона из полупроводника.
Такова «исходная» картина энергетических уровней уединенных компонентов, из которых будет создаваться
МДП-структура. Приведем мысленно эти компоненты в контакт для получения МДП-структуры.
Известно, что в любой структуре, находящейся в состоянии теплового (термодинамического) равновесия,
уровень Ферми всех компонентов структуры должен быть одинаковым. Процесс выравнивания уровней Ферми
компонентов может происходить только посредством переноса отрицательных зарядов из материала с более высоким
положением уровня Ферми (с меньшей работой выхода). Так как уровень вакуума εв, одинаков для всех компонентов и
из эксперимента известны сродство электрона в окисле и полупроводнике и известны работы выхода для металла и
полупроводника, то нетрудно построить энергетическую диаграмму МДП-структуры, выполнив условие одинаковости
(совпадения) уровней Ферми. Типовая зонная диаграмма МДП-структуры в состоянии теплового равновесия показана на
рис. 7.9,б, где индекс «п» у εFп и χп опущен.
В нашем случае электроны из алюминия должны переноситься в кремний, так как у AI работа выхода на 0,8
эВ меньше, чем у Si. Но положение усложняется тем, что SiО2 является диэлектриком (в идеальном случае не имеет
подвижных носителей заряда) и не может переносить заряд из Al. Действительно, границу раздела металл-окисел
следует рассматривать как энергетический барьер высотой 3,15 эВ, препятствующий переходу электронов из металла в
окисел. Аналогично для электронов зоны проводимости кремния на границе окисел-кремний существует барьер
высотой 3,10 эВ, а для электронов валентной зоны барьер 3,10 + 1,12 = 4,22 эВ. Таким образом, движение электронов
через окисел невозможно ни в одном из направлений. Как же тогда происходит перераспределение заряда, необходимое
для выравнивания уровней Ферми? Оно возможно потому, что при изготовлении МДП-структуры всегда имеется для
передачи заряда какая-то другая цепь, обладающая большей проводимостью, чем диэлектрик.
Процесс установления равновесия с участием внешней цепи можно представить следующим образом.
Электроны из алюминия через внешнюю цепь подходят к омическому контакту полупроводника. К тому же контакту от
границы окисел-полупроводник через полупроводник приходят дырки. В контакте приходящие электроны и дырки
полностью рекомбинируют (идеальный омический контакт). Результатом этих процессов будет появление на
поверхности металла, граничащей с окислом, узкого положительно заряженного слоя из-за ухода электронов, а по
другую сторону окисла – отрицательно заряженной области из-за ухода дырок (заряд ионов акцепторов). Таким образом,
конечный эффект такой же, как при непосредственном переходе электронов в полупроводник через окисел, если бы он
был возможен.
Итак, в состоянии равновесия МДП-структура металл и полупроводник представляют собой две обкладки
заряженного конденсатора с разностью потенциалов, определяемой разностью работ выхода металла и полупроводника.
Окисел же является диэлектриком в этом конденсаторе.
Вернемся к зонной диаграмме на рис. 7.9,б. В «глубине» полупроводника (за начало отсчета взята плоскость
раздела окисел-полупроводник) по-прежнему выполняется условие электрической нейтральности, поэтому там границы
зон горизонтальны (не искривлены). Искривление границ происходит в областях, где имеется заряд из-за нарушения
условия электрической нейтральности. Математическое описание искривления уровней, распределения напряженности
поля и потенциала в полупроводнике можно найти путем решения уравнения Пуассона и использования закона Гаусса.
Представление о результатах теории для различных режимов работы МДП-структуры дает рис. 7.10.
Зонная диаграмма полупроводника МДП-структуры изображена также на рис. 7.10,в. Уровень вакуума здесь
уже не показан. Положение уровня Ферми εF не зависит от координаты х (х= 0 соответствует плоскости раздела окиселполупроводник). Так как энергетические уровни диаграммы изогнуты (изогнуты вниз граница зоны проводимости εc
(дно зоны проводимости) и граница валентной зоны εv (потолок валентной зоны)), то также оказывается изогнутой и
средняя линия εi; между этими границами. Середина запрещенной зоны в собственном полупроводнике является
уровнем Ферми. Так, в примесном р-полупроводнике уровень Ферми εF смещен ниже середины запрещенной зоны на
расстояние qφо, зависящее от концентрации примеси. Для упрощения рисунков умножение на заряд электрона q не
изображается. В объеме полупроводника (формально при х →∞), где полупроводник электрически нейтрален, границы
зон горизонтальны.
Значение φо может быть определено по формуле (2.28):
0 Т ln
Na
ni
(7.31)
где φТ=kT/q температурный потенциал; Nа – концентрация акцепторов; ni – концентрация электронов и дырок в
собственном полупроводнике.
Воспользуемся далее понятием потенциала. В любом сечении полупроводника потенциал вычисляется путем
деления на заряд электрона термодинамической работы выхода электрона, определенной разностью энергий уровня
Ферми εF и уровня вакуума εп (см. рис. 7.9,а). Эту работу можно представить также как сумму «внутренней» работы,
необходимой для перевода электрона с уровня Ферми εF на дно зоны проводимости εс, и «внешней» работы – для
последующего перевода электрона в свободное пространство («вакуум»), называемой сродством к электрону χ. Таким
образом, в любом сечении структуры потенциал находится из соотношения
q x F c x (7.32)
Знак «минус» связан с отрицательным знаком заряда электрона (само q положительно). Вместо (7.32) запишем
x F c x q
(7.33)
чтобы говорить непосредственно о потенциале. Величины εF, εс(х), χ положительны при принятом за нулевое значение
энергии вакуума. Так как εF > εс, то φ (х) < 0. К примеру, на рис. 7.10,в при изменении от х=0 до х→∞ εс убывает
(энергия растет вниз по условию отсчета), следовательно, абсолютное значение потенциала | φ (х)| растет. Потенциал в
объеме полупроводника (х → ∞)
F c q
(7.34)
Изменение потенциала при переходе от х до х → ∞ составит
x x c x c q
(7.35)
Таким образом, изменение потенциала определяется изменением энергии дна зоны проводимости. Таким же
точно будет изменение энергии потолка валентной зоны и среднего уровня запрещенной зоны:
v ( x) v () i ( x) i () c ( x) c ()
(7.36)
Удобнее (нагляднее) на зонных диаграммах взять кривую εi(х), , т.е. рассматривать изгиб средней линии
запрещенной зоны. Тогда
x x i x i q
(7.37)
Значение разности потенциалов при х = 0 (поверхность раздела окисел-полупроводник) называют
поверхностным потенциалом:
пов 0 i 0 i q
(7.38)
В состоянии равновесия (см. рис. 7.10,в), когда уровни искривлены вниз, εi(o) > εi(∞) и ∆φ>0 (стрелка вниз,
обозначение заряда не написано, надо было бы писать qφпов).
В равновесном состоянии МДП-структуры металл и полупроводник представляют собой две «обкладки»
конденсатора с зарядами Qм и Qa, (см.рис.7.10,в) и внутренней разностью потенциалов между ними, определяемой
разностью работ выхода металла и полупроводника. Конденсатор заполнен диэлектриком, поверхностный потенциал
полупроводниковой обкладки φпов> 0. Очевидно, что подача внешнего напряжения между металлом и полупроводником
выводит структуру из состояния равновесия и изменяет величину заряда на обкладках указанного конденсатора. Рассмотрим возможные состояния структуры, когда приложено отрицательное или положительное внешнее напряжение.
При подаче отрицательного напряжения (минус на металле, плюс на подложке) должно происходить ослабление поля
в окисле и уменьшение разности потенциалов на нем, так как внешнее поле противоположно по знаку внутреннему полю в
состоянии равновесия. Это должно вызвать уменьшение заряда на обкладках конденсатора по сравнению с состоянием
равновесия.
Интересен случай, когда приложенное напряжение точно компенсирует действие разности работ выхода металла и
полупроводника. При этом накопленный в МДП-конденсаторе заряд уменьшается до нуля и, следовательно, исчезает электрическое поле в окисле и полупроводнике. В этом состоянии энергетические зоны в приповерхностной области кремния становятся
горизонтальными («плоскими»), как в объеме кремния (см. рис. 7.10,б). В связи с этой особенностью зонной диаграммы напряжение, при котором исчезает искривление зон, называют напряжением плоских зон Uпл, которое определяется очевидным
соотношением
U пл Фм Фп Фмп
q
q
(7.39)
Значение Uпл зависит как от конкретного типа металла, так и от концентрации примесей в полупроводнике, влияющей на
величину Фп.
Обратим внимание на то, что в состоянии плоских зон структура уже не находится в состоянии равновесия из-за
приложенного внешнего напряжения Uпл – уровни Ферми в металле и полупроводнике смещены на величину qUпл.
Полупроводник всюду оказывается электрически нейтральным с равным нулю поверхностным потенциалам (φпов = 0).
Что произойдет, если отрицательное внешнее напряжение по абсолютной величине превысит напряжение плоских зон
(|U| > | Uпл |)? В этом случае внутри структуры появится поле, противоположное по знаку тому полю, которое было до появления
состояния плоских зон. Появление такого поля приведет к накоплению положительного заряда в приповерхностном слое
полупроводника из-за увеличения количества дырок. Поясним это. Все энергетические уровни около границы с окислом при
подаче напряжения изгибаются вверх, так что потолок валентной зоны εv, приближается к уровню Ферми εF вызывая рост
концентрации дырок по сравнению с концентрацией акцепторов. В объеме полупроводника (х→∞) концентрация дырок равна
концентрации акцепторов. В этой части полупроводника влияние поля не проявляется.
Итак, при |U| > | Uпл| концентрация дырок (основных носителей полупроводника) станет выше концентрации
акцепторной примеси Nа. Поверхностную область с увеличенным (избыточным) количеством дырок называют обогащенной
областью, а состояние – состоянием поверхностного обогащения или просто состоянием обогащения. В этом состоянии
структура по-прежнему является конденсатором (МДП-конденсатором) с равным и противоположным по знаку зарядом на
«обкладках». Но теперь, в отличие от состояния равновесия, металл имеет отрицательный заряд Qм, а поверхностная область
полупроводника – положительный заряд, вызванный дырками Ор(см. рис. 7.10,а).
Вернемся теперь к состоянию равновесия (см. рис. 7.10,в) и подадим не слишком большое положительное напряжение
между металлом и подложкой (полупроводником). Этому состоянию соответствует рис. 7.10,г.
Положительное напряжение вызовет увеличение падения напряжения на слое окисла. Должно также произойти
одинаковое увеличение положительного заряда на металле Qм, и отрицательного заряда акцепторов Qа в приповерхностной
области кремния. Рост Qa возможен только вследствие уменьшения количества дырок по сравнению с состоянием равновесия.
Таким образом, усиливается обеднение основными носителями, существующее в состоянии равновесия, а происходящее нарушение электрической нейтральности характеризуется проявлением заряда Qа акцепторных ионов. При увеличении положительного
напряжения увеличивается толщина слоя ха, где обнаруживается нескомпенсированный дырками заряд ионов Qa=qNaxa.
В связи с таким характером изменения поверхностного заряда основных носителей рассматриваемое состояние
полупроводника называют состоянием поверхностного обеднения или просто состоянием обеднения. Одной границей
этого состояния является состояние равновесия, а другой – так называемое пороговое состояние, за которым следует
состояние инверсии. На рис. 7.10,г показаны зонная диаграмма и распределение заряда для порогового состояния. Для
промежуточного случая состояния обеднения рисунка нет из соображений экономии места, его легко представить,
сравнивая рис. 7.10,в и 7.10,г.
Искривление границ зон на рис. 7.10,г таково, что значение εi(0) совпадает с уровнем Ферми εF (точка А).
Положительное напряжение, соответствующее этому случаю, называется пороговым напряжением Uпор. В плоскости
раздела (х = 0) концентрация дырок равна концентрации электронов, т.е. эта поверхность ведет себя как собственный
полупроводник (рi= ni). Искривление энергетических уровней полупроводника на рис. 7.10,г такое же (вниз), как в
состоянии равновесия.
При положительных напряжениях больших, чем пороговое (U>Uпор), изгиб увеличивается, так что кривая εi(х)
пересекает прямую линию уровня Ферми εF в некотором сечении с координатой хi (см. рис. 7.10,б). Теперь это сечение
соответствует состоянию собственного полупроводника (ni = рi). При 0 < х< хi уровень Ферми εF находится выше
середины запрещенной зоны, т.е. эта область является полупроводником n-типа. Отрицательный заряд Qn при х < хi
создается электронами зоны проводимости, в объеме же полупроводника (х > хi) – отрицательным зарядом Qа
акцепторных ионо в, причем Qa=qNaxa (хa > хi). Полный заряд в полупроводнике
Qпол Qn Qa
Таким образом, при U > Uпор в приповерхностном слое происходит изменение типа электропроводности
(инверсия). Состояние полупроводника называется состоянием инверсии, а приповерхностная область (0 < х < хi) –
инверсной областью. Различают состояния со слабой и сильной инверсией. Когда у поверхности (х = 0) значение εi(0)
лишь немного ниже уровня Ферми εF, то концентрация электронов в инверсном слое незначительно превышает значение
ni. Когда разность (εi(0) – εF) больше абсолютного значения разности (εi(∞) – εF) в объеме полупроводника, то
концентрация электронов в инверсном слое станет больше концентрации дырок (акцепторов) в объеме полупроводника.
Такое состояние называют состоянием сильной инверсии. Условие (εi(0) – εF) > (εi(∞) – εF) можно переписать, используя
обозначение φ0
i 0 F q 0
(7.40)
На рис. 7.10,е,ж изображены распределения напряженности поля Е(х) и потенциала φ(х) для наиболее важного
режима с сильной инверсией. Эти распределения находятся путем решения уравнения Пуассона с использованием
закона Гаусса при известном законе распределения зарядов Qм, Qn, Qa на рис. 7.10,д.
По закону Гаусса напряженность поля остается постоянной в слое окисла, затем падает из-за наличия
отрицательных зарядов в приповерхностном слое полупроводника: электронов в интервале (0 – хi) и акцепторных ионов
в интервале (хi – ха). В глубине полупроводника (x > xa) E=0 так как Qм
Qn Qa , и полупроводник там остается
электронейтральным.
На рис. 7.10,е изображено распределение потенциала φ(х), найденное из решения уравнения Пуассона.
Значение φ(0) определяет потенциал поверхности, названный поверхностным потенциалом.
Величина φпов определяется величиной искривления энергетических уровней. На рис. 7.10 за такой уровень
взята εi середина запрещенной зоны. Характерные интервалы изменения и значения φпов для р-полупроводника
следующие:
φпов<0 (рис. 7.10,а), обогащение основными носителями-дырками (зоны изогнуты вниз);
φпов = 0 (рис. 7.10,б), состояние плоских зон. Заряды отсутствуют (нейтрализованы);
φ0> φпов> 0 (рис. 7.10,б-г), обеднение основными носителями – дырками (зоны изогнуты вниз);
φпов= φо≡φпор (рис. 7.10,г), поверхность (х = 0) является собственным полупроводником (концентрации п = р
= пi = pi);
φпов>φо≡φпор (рис. 7.10,д), режим инверсии: накопление неосновных носителей – электронов у поверхности
(зоны изогнуты вниз).
На рис. 7.11 показана расчетная связь между поверхностным
потенциалом φпов и поверхностной плотностью заряда (заряд в
полупроводнике, отнесенный к единице площади поверхности) Qпов,
обычно называемого «поверхностным зарядом». В рабочем режиме в
МДП-транзисторах используется режим сильной инверсии, когда Qпов
сильно зависит от φпов, т.е. от приложенного напряжения. За эту границу
принимают φпов=2φ0, когда поверхностная концентрация неосновных
носителей (электронов) становится равной исходной концентрации
основных носителей (дырок), равной концентрации акцепторов.
Изменение φпов осуществляется изменением приложенного
напряжения U, значение которого также может быть вычислено.
Качественно связь φпов с напряжением видна из рис. 7.10.
7.4.3. Особенности реальной МДП-структуры
Предыдущее рассмотрение относилось к идеализированной МДП-структуре, так как не учитывалось влияние
зарядов в окисле и на границе окисел-кремний.
Чтобы оценить значимость этого заряда, сначала следует оценить порядок концентрации электронов в
рассмотренной идеализированной МДП-структуре. При напряжении, немного превышающем пороговое, когда
структура входит в инверсный режим, поверхностная плотность электронов (удельная плотность) будет того же порядка,
что и поверхностная плотность примесных атомов (акцепторов) на единицу площади поверхности Nа (см-2). Для
равномерно распределенных примесных атомов при объемной плотности Nа (см-3) удельная плотность может быть
определена как Nа⅔. Если Nа = 1015 см-3, то удельная плотность Nа =1010 см-2. Аналогично удельная плотность кремния
при его объемной плотности 5·1022 см-3 составит (5·1022) ⅔ = 1,35·1022 см-2. Поэтому удельная плотность атомов примесей
только в 105 раз меньше удельной плотности атомов кремния и будет оказывать влияние на процессы в МДП-структуре.
В настоящее время принята следующая классификация зарядов в окисле [4].
1. Заряд, захваченный поверхностными ловушками кремния и представляющий собой заряд электронных
состояний, которые локализованы на границе раздела Si – SiO2 и энергетические уровни которых находятся в «глубине»
запрещенной зоны полупроводника. Эти состояния обусловлены избыточными атомами кремния (наличие
трехвалентных атомов кремния), избыточным кислородом или примесными атомами. Основная причина возникновения
этих состояний в запрещенной зоне полупроводника заключается в том, что сама граница раздела («скол») является нарушением пространственной периодичности. Поверхностное состояние считается донорным, если, отдавая электрон, оно
становится нейтральным или положительно заряженным. Акцепторным называют поверхностное состояние, которое
становится нейтральным или отрицательно заряженным при захватывании электрона.
2. Фиксированный заряд окисла Qок, расположенный на границе раздела или в непосредственной близости от
нее. Величина этого заряда остается практически постоянной во всей области электрических полей, характерных для
МДП-структур.
3. Заряд, возникающий при облучении (например, рентгеновском) или при инжекции «горячих» электронов в
диэлектрик. Соответствующие ловушки более или менее равномерно распределены в слое окисла. «Горячие» (высоко
энергетические электроны) могут попадать в прибор в процессе его изготовления. В составе излучения могут быть также
частицы с высокой энергией и фотоны, которые воздействуют на прибор в процессе его эксплуатации (например, в
условиях космоса).
4. Заряд подвижных ионов в окисле, например ионов натрия Na+ или калия К+, которые могут перемещаться в
слое окисла при интенсивных термополевых нагрузках в МДП-структурах. Ионы натрия и калия легко абсорбируются
двуокисью кремния. Натрий особенно широко распространен во многих металлах и химикатах и легко переносится в
окисел. Ионы щелочных металлов достаточно подвижны и могут дрейфовать в окисле даже при относительно
небольших приложенных напряжениях, при этом с ростом температуры их подвижность увеличивается. Так как ионы
металлов несут положительный заряд, то отрицательное напряжение на затворе заставляет эти ионы перемещаться к
границе металл-окисел, где, как установлено, они не оказывают влияния на напряжение плоских зон (7.39). Однако при
подаче положительного напряжения эти ионы могут мигрировать к границе окисел-кремний, где их влияние
максимально.
22. Электрическая емкость перехода и влияние на нее приложенного напряжения. Влияние емкости перехода на работу
полупроводниковых приборов.
1.7.5. Емкость р-n-перехода
Изменение внешнего напряжения на p-n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя, и
соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением
концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого, p-n-переход ведет
себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в pn-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенного внешнего напряжения.
Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость р-n-перехода.
Барьерная емкость соответствует обратновключенному p-n-переходу, который рассматривается как
обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой
служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями
(1.19)
,
где
–
относительная
постоянная
слоя.
диэлектрическая
проницаемость;
– площадь запирающего слоя;
;
–
электрическая
– толщина запирающего
Барьерная емкость возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической
проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. В зависимости от площади
перехода
может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости
является то, что она является нелинейной емкостью. При возрастании обратного напряжения толщина
перехода
увеличивается
зависимости
влиянием
и
показывает
емкость
емкость
график
уменьшается.
на
рис. 1.22.
Как
Характер
видно,
под
изменяется в несколько раз.
Рис. 1.22. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения
Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при
прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда
носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный
потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- иp-областях. Каждому
значению
прямого
зарядов
напряжения
соответствуют
и
определенные
значения
двух
разноименных
, накопленных в n- и p-областях за счет диффузии
носителей через переход. Емкость
потенциалов:
представляет собой отношение зарядов к разности
(1.20)
.
С
увеличением
характеристика
чем
и
для
прямой
прямого
ток
тока
растет
имеет
быстрее,
нелинейный
чем
вид,
напряжение,
поэтому
т. к.
вольт-амперная
растет
быстрее,
увеличивается.
Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т. к. она
шунтируется малым прямым сопротивлением p-n-перехода. Численные оценки величины диффузионной
емкости показывают, что ее значение составляет несколько единиц микрофарад.
Таким образом, р-n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости,
управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.
23. Переходные процессы в p-n переходе. Импульсные диоды.
2.3. Импульсные диоды
Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных
процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.
Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на
обратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунды, при этом важную роль
играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве
коммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствует высокому уровню
инжекции, т. е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметры
импульсных диодов определяются переходными процессами.
Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рис. 2.11). Точечный
диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде
тонкой проволоки и стеклянного баллона. Особенностью точечных диодов является большое
сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения на диоде.
В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными
диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых
методах формирования p-n-переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания).
Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид
галлия.
Рис. 2.11. Конструкция импульсного диода:
1 – кристалл полупроводника; 2 – кристаллодержатель; 3 – припой; 4 – контактная пружина;
5 – стеклянный корпус; 6 – коваровая трубка; 7 – внешние выводы
Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения
времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводят примесь
золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетических уровней
рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.
В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянный или
металлический корпус с ленточными выводами.
Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса
(рис. 2.12).
При прямом напряжении на участке
происходит инжекция носителей из эмиттерной
области в базовую и их накопление там. При смене полярности напряжения на обратную в первый
момент величина обратного тока будет значительна, а обратное сопротивление диода резко
уменьшится, так как накопленные в базе неосновные носители под действием изменившегося
направления напряженности электрического поля начнут двигаться в сторону p-n-перехода, образуя
импульс обратного тока. По мере перехода их в эмиттерную область, их количество уменьшится и через
некоторое время обратный ток достигнет нормального установившегося значения, а сопротивление
диода в обратном направлении восстановится до нормальной величины.
Рис. 2.12. Переходные процессы в импульсном диоде
Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение
которого
обратный
ток
изменяется
от
максимального
значения
до
установившегося,
называется временем восстановления
обратного сопротивления. Время восстановления
обратного сопротивления – один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем оно меньше, тем
диод лучше. Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым
временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам p-nпереход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной емкости перехода
.
Выводы:
1.
2.
3.
4.
5.
Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.
Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из
одного состояния в другое.
Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов является время
восстановления обратного сопротивления.
Для уменьшения используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасывания неосновных
носителей заряда в базе.
Требованиям, предъявляемым к импульсным диодам, хорошо удовлетворяют диоды на основе
барьера Шоттки, которые имеют очень малую инерционность благодаря отсутствию инжекции и
накопления неосновных носителей заряда в базе.
3.1.5. Переходные процессы.
При работе диода в импульсном режиме переходные процессы в нем определяются его
емкостными характеристиками. Для малого сигнала значения емкостей можно считать величинами
постоянными. При больших сигналах имеют место нелинейные процессы, что может приводить к
специфической реакции прибора.
Рассмотрим влияние процесса накопления и рассасывания инжектированного заряда
(диффузионной емкости) на переходные характеристики тока через переход. На рис. 31 показана
электрическая схема, которая может быть использована для изучения переходных характеристик
диода, обусловленных свойствами pn перехода. Для задания напряжения произвольной формы на
диоде служит импульсный генератор. Регистрация сигналов осуществляется двухканальным
осциллографом. Напряжение на диоде регистрируется дифференциальным входом U. Ток
регистрируется по падению напряжения на малом сопротивлении Rи, напряжение с которого
подается на асимметричный вход осциллографа I. Сопротивление Rи много меньше сопротивления
толщи базы диода и не оказывает существенного влияния на переходные процессы.
Рис. 31. Схема для исследования переходных характеристики диода с pn переходом.
24. Особенности применения гетероперехода в полевых транзисторах. Устройство и преимущества
транзисторов с гетеропереходом.
полевой транзистор, в
области, в отличие от обычных МОП-
Транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) —
котором для создания канала вместо легированной
транзисторов,
шириной
используется
контакт
двух
запрещенной зоны (т.
н.
полупроводниковых
материалов
гетеропереход)[1].
с
различной
Другие названия этих
транзисторов: полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник и
гетеропереходом, ГМеП транзисторы, полевые транзисторы с модулированным легированием,
селективно-легированные гетероструктурные транзисторы (СЛГТ).
Принцип действия
6.
Зонная диаграмма HEMT-транзистора
В общем случае для создания проводимости в полупроводниках, в них добавляются легирующие примеси для
генерации подвижных электронов. Однако эти электроны замедляются в первую очередь при столкновении с
примесями, используемыми для их генерации. В ТВПЭ этого удается избежать за счет того, что электроны с
высокой подвижностью генерируются на гетеропереходе в области контакта высоколегированного донорного слоя
N-типа с широкой запрещенной зоной (в нашем примере AlGaAs) и нелегированного канального слоя с узкой
запрещенной зоной без каких-либо легирующих примесей (в данном случае GaAs).
Электроны, образующиеся в тонком слое n-типа, полностью перемещаются в слой GaAs, тем самым создавая
обеднение AlGaAs. Обеднение происходит из-за того, что в гетеропереходе между материалами с разной
шириной ЗЗ образуется квантовая яма (крутой провал) в зоне проводимости со стороны нелегированного слоя
GaAs, где электроны способны быстро передвигаться без столкновений с примесями. В результате того, что
электроны не в состоянии покинуть квантовую яму, образуется очень тонкая прослойка с большой концентрацией
высокоподвижных электронов, поэтому сопротивление канала очень низкое (или, по другому, подвижность
носителей высока). Эта прослойка называется двумерным электронным газом. Также как в других типах полевых
транзисторов, приложенное к затвору ТВПЭ напряжение изменяет проводимость этого слоя.
Принцип действия ТВПЭ — транзистора аналогичен принципу действия МеП-транзистора. Между металлическим
затвором и расположенным под ним слоем из AlxGa1-xAs, образуется управляющий переход Металл Полупроводник (далее по тексту Ме — п/п). Обедненная область этого перехода располагается, в основном, в
слоях AlxGa1-xAs. Канал нормально открытого транзистора при Ugs < 0 формируется в слое нелегированного
GaAs на границе гетероперехода в области накопления двумерного электронного газа. Под действием
управляющего напряжения Ugs изменяется толщина обедненной области перехода Ме — п/п, концентрация е− в
2D электронном газе и ток стока. Электроны поступают в область накопления из истока. При достаточно большом
(по модулю) отрицательном Ugs = Ufобедненная область расширяется настолько, что перекрывает область
насыщения электронов. Ток стока при этом прекращается.
В нормально закрытом транзисторе вследствие меньшей толщины верхнего слоя AlxGa1-xAs при Ugs = 0
проводящий канал отсутствует, так как область насыщения двумерного электронного газа перекрыта обедненной
областью управляющего перехода. Канал возникает при некотором положительном Ugs = Uf, когда обедненная
область управляющего перехода сужается настолько, что ее нижняя граница попадает в область накопления
электронов.
Характеристики
Стокозатворные характеристики н.о.(1) и н.з.(2) транзисторов приведены на рисунке 4. Благодаря высокой
подвижности электронов и малой Lg практически во всем диапазоне Ugsдостигается насыщение дрейфовой
скорости электронов в канале (Vsat) и наблюдается линейная зависимость Ic от Ugs.
где
где
— критическая напряжѐнность поля;
— сопротивление истока,
.
Для кривой (1) S*/b = 117 мСм/мм, для кривой (2) — 173 мСм/мм. Большее значение крутизны н.з. транзистора
обусловлено меньшей толщиной легированного донорами AlxGa1-xAs.
Важным достоинством HEMT транзисторов, по сравнению со структурой МеП транзисторов являются меньшая
плотность поверхностных состояний на границе меду AlxGa1-xAs и диэлектриком, и большая высота барьера
Шоттки (φ0g ≈ 1 В). Вследствие меньшей плотности поверхностных состояний уменьшается отрицательный
поверхностный заряд и толщина обеднѐнных областей в промежутках ИСТОК — ЗАТВОР и ЗАТВОР — СТОК. Это
позволяет получить меньшие паразитные сопротивления обеднѐнных областей без самосовмещения. Вследствие
большей высоты барьера Шоттки, для HEMT транзисторов возможно большее (до 0,8 В) прямое напряжение U gs,
что особенно важно для нормально закрытых транзисторов, рабочие напряжения на затворах которых могут
изменяться лишь в узком диапазоне, ограниченном сверху напряжением управляющего перехода Ме — п/п.
Импульсные и частотные свойства HEMT транзисторов в основном определяются временем пролѐта электронов
через канал, где они движутся со скоростью насыщения:
. При Т = 300 К
При понижении температуры скорость насыщения увеличивается по закону
параметров, характеризующих семействологических
мощность (
≈ 2∙107 см/с.
~ 1/Т. Одним из важнейших
ИМС, является произведение быстродействия на
), представляющее собой произведение мощности, рассеиваемой одним вентилем, на
время задержки в этом вентиле. Другой сравнительной характеристикой служит произведение мощности,
рассеиваемой одним вентилем, на квадрат времени задержки в этом вентиле (
), что представляет
собой произведение энергии на время. В таблице 2 приведены сравнительные характеристики КМОП,
МеП, HEMT ИМС при комнатной температуре.
25. Пробой p-n перехода. Виды пробоев и их физическая сущность.
1.7.4. Виды пробоев p-n-перехода
Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которогоp-nпереход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры
полупроводника.
Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и
туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым.
К необратимым относят тепловой и поверхностный.
Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной p-n-перехода,
образованных слаболегированными полупроводниками. При этом ширина обедненного слоя гораздо
больше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием сильного электрического
поля с напряженностью
,
. В лавинном пробое основная
принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в p-n-переходе.
роль
Эти носители, испытывают со стороны электрического поля p-n-перехода ускоряющее действие и
начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля. При определенной величине
напряженности неосновные носители заряда на длине свободного пробега
могут разогнаться до такой
скорости, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при очередном соударении с
атомом полупроводника ионизировать его, т. е. «выбить» один из его валентных электронов и
перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару «электрон – дырка» (рис. 1.20).
Образовавшиеся носители тоже начнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими
нейтральными атомами и процесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать. При этом происходит
резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.
Рис. 1.20. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в p-n-переходе:
а – распределение токов; б – зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение при обратном
смещении перехода
Параметром, характеризующим лавинный пробой является коэффициент лавинного умножения
,
определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля.
Величина обратного тока после лавинного умножения будет равна:
,
(1.17)
,
где
– начальный ток;
коэффициент, равный 3 для
– приложенное напряжение;
, 5 для
– напряжение лавинного пробоя;
.
Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого
значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника,
то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.
Туннельный пробой происходит в очень тонких p-n-переходах, что возможно при очень высокой
концентрации примесей
, когда ширина перехода становится малой
(порядка 0,01 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает
большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля,
воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к
их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер (рис. 1.21) из валентной зоны pобласти в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии
носителей заряда. Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при
практически неизменном обратном напряжении.
Рис. 1.21. Зонная диаграмма туннельного пробоя p-n-перехода при обратном смещении
Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого
значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника,
то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.
–
Тепловым называется пробой p-n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при
повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая
мощность, выделяющаяся в p-n-переходе и, соответственно, температура кристаллической структуры.
Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных
электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования
дополнительных пар носителей «электрон – дырка». Если электрическая мощность в p-n-переходе
превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в
кристалле происходит необратимая перестройка структуры и p-n-переход разрушается.
Для предотвращения теплового пробоя необходимо выполнение условия
,
где
(1.18)
– максимально допустимая мощность рассеяния p-n-перехода.
Поверхностный пробой. Распределение напряженности электрического поля в p-n-переходе может
существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд
может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности
перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для
возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем.
Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды,
граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя
применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.
26. Особенности полевых транзисторов интегральных схем. Элементы оперативной и постоянной памяти.
7.6. Полевые транзисторы ИС.
Полевые транзисторы (ПТ) с управляющим p-n-p- переходом и контактом. Шоттки хорошо вписываются в
технологию производства биполярных ИС и поэтому они часто изготавливаются совместно с биполярными
транзисторами (БТ). Однако, если не использовать дополнительных технологических приѐмов при совместном
изготовлении ПТ и БТ, то толщине канала будет равна ширина базы
n-p-n- транзистора (0,3-1 мкм), что приводит к
большому разбросу параметров ПТ и малому напряжению пробоя. Поэтому p-слой ПТ изготавливают отдельно от
базового p-слоя n-p-n- БТ, получая толщину канала более 1....2мкм. В этом случае проводят предварительную диффузию
p-слоя ПТ до базовой диффузии БТ.
Применение указанных полевых транзисторов в ИС ограничено из-за малого их быстродействия и большой
площади, занимаемой на кристалле. Однако большое входное сопротивление и малый уровень шумов позволяет их
применять во входных каскадах некоторых типов аналоговых ИС, где в остальных каскадах используются биполярные
транзисторы.
В силу сказанного, основное применение в интегральных схемах находят МДП-транзисторы. МДП транзисторы ИС, как правило, изготавливаются отдельно от биполярных. МДП- транзисторы по сравнению с
биполярными занимают существенно меньшую площадь на кристалле, обладает крайне большим входным и выходным
сопротивлениями, имеют широкий набор различных типов на одном кристалле со встроенными и индуцированными nи p- каналами различными пороговыми напряжениями, используются в качестве резисторов и т.д. Всѐ это позволяет
разрабатывать СБИС с оптимальными параметрами, по степени интеграции намного превышающие ИС на биполярных
транзисторах. Основную роль в современной микроэлектронике играют МДП- транзисторы на основе SiO2, которые
называются МОП- транзисторами (металл-окисел-полупроводник). Интегральные транзисторы не нуждаются в
изоляции, поэтому их структура внешне не отличается от структуры дискретных приборов. Подложка всегда имеет
другой тип электропроводимости, чем одинаковые по типу электропроводимости исток и сток, поэтому p-n-переходы
исток-подложка и сток-подложка включены встречно. При любой полярности напряжения между истоком и стоком
один из p-n-переходов имеет обратное включение и обеспечивает изоляцию.
Как показано в главе 6, существенным фактором, влияющим на быстродействие МДП- транзисторов, являются
транзисторные ѐмкости, ѐмкости перекрытия. Для их уменьшения используется затворы из поликристаллического
кремния – 4 (рисунок 7.13), которые формируются раньше
n1
и
n2
истоков И1 и И2 и стоков С1 и С2.
Сформированные поликристаллические затворы играют роль масок при последующем легировании донорами
указанных областей истоков и стоков. Использование поликристаллического затвора в виде маски приводит к
автоматическому совмещению (―самосовмещение‖) краев затвора с краями истоков и стоков, т.е. практически сводится
к нулю перекрытие между ними, а паразитные ѐмкости перекрытия становятся минимальными. Над затвором
формируется слой SiO2 - 5, изолирующий затвор от соединительных проводников ИС. Вывод затворов- 4
осуществляется на периферии. Для устранения паразитных связей между соседними транзисторами создаются сильно
легированные акцепторами слои 3 (p+ -слои) под разделительными окисными участками- 1, на границе с p-подложкой.
Соединительные проводники- 2 имеют положительный потенциал относительно подложки, а сама подложка
соединяется с минусом источника питания ИС, чтобы p-n- переходы были смещены в обратном направлении. В
противном случае появляются паразитные связи и помехи по подложке, что ухудшает параметры ИС и еѐ работа
становится неустойчивой.
В комплементарных МОП- транзисторах на одном и том же кристалле необходимо изготовлять транзисторы с
n- и p- каналами вместе (рисунок 7.14). Один из транзисторов должен быть размещѐн в специальном кармане (на
рисунке 7.14 транзистор VTp в кармане 1). Для транзистора VTp карман должен обладать электронной проводимостью.
На вывод n+ -области 2 подаѐтся плюс от источника питания, чтобы обеспечить на p-n- переходах p-канального
транзистора обратное смещение. Подложка p-типа подключена к минусу источника электрического питания. КМОПтранзисторы на одной подложке могут быть изготовлены также с помощью КНС (кремний на сапфире) технологии. При
использовании
этой технологии на сапфировой подложке, которая имеет кристаллическую структуру, близкую к
кремнию, создаются островки кремния с собственной проводимостью. С помощью диффузии донорной или
акцепторной примеси в одних островках формируются соответственно n-канальные и p- канальные транзисторы.
Помимо рассмотренной структуры на кремниевой и сапфировой подложке, существуют комплементарные
транзисторы, создаваемые с помощью технологии ―кремний на диэлектрике‖ (КНД), при которой в тонких кремниевых
плѐнках, нанесѐнных на диэлектрик, формируются МОП- транзисторы. Сапфировые подложки имеют высокую
стоимость, поэтому используются другие диэлектрические материалы, в частности двуокись кремния SiO2 (структуры
типа ‖кремний-окисел-кремний‖). В таких структурах, как и в КНС- технологии отсутствуют карманы, а соседние
транзисторы для устранения между ними паразитных связей изолированы друг от друга диэлектрическими слоями. При
этой технологии транзисторы располагаются на минимальном расстоянии друг от друга, что позволяет повысить
степень интеграции. Влияние ѐмкости переходов здесь также снижено. Кроме того такие транзисторы обладают
повышенной радиационный стойкостью (см. гл. 23).
В рассмотренных структурах ИС элементы располагаются в тонком слое у поверхности, что ограничивает рост
степени интеграции, поэтому в настоящее время развиваются технологии создания многослойных структур, в которых
транзисторы размещаются один под другим в несколько слоѐв (этажей).
9.2.
Элементы полупроводниковых запоминающих устройств.
Цифровые полупроводниковые ИС памяти используются в оперативных (ОЗУ) и постоянных (ПЗУ)
запоминающих устройствах. ПЗУ хранят информацию при отключении источника питания, тогда как в ОЗУ она
теряется. Статические ОЗУ памяти могут хранить информацию в течение длительного времени, а динамические ОЗУ –
ограниченное время. Статические ОЗУ обладают максимальным быстродействием, а динамические ОЗУ обеспечивают
максимальную информационную емкость и минимальную потребляемую мощность. Большая часть БИС памяти
создаются на МДП-транзисторах, а ИС памяти на биполярных транзисторах, которые обладают повышенным
быстродействием, но меньшей информационной емкостью.
Оперативные ЗУ состоят из накопителя и схем управления. Данные, которые необходимо запомнить, хранятся в
накопителе. Схемы управления включают усилители, разного рода ключи, коммутаторы, дешифраторы и т.д.
Накопитель состоит из элементов памяти в основном на базе бистабильных ячеек (см. п.9.4), каждая из которых
хранит один бит информации, соответствующей хранению логических 0 и 1. Чаще всего бистабильная ячейка
представляет собой симметричный триггер, содержащий два инвертора с перекрестными обратными связями; выход
первого инвертора соединен со входом второго, а выход второго – со входом первого.
В ОЗУ используется достаточно много типов запоминающих ячеек, некоторые из них, наиболее распространенные,
представлены на рисунке 9.19. Ячейка на МДП-транзисторах с p-каналами представляет собой триггер (транзисторы
VT1-VT4) с управляющими ключами VT5 и VT6, соединенных шинами столбца Y′ и Y″ (рисунок 9.19,а). При отсутствии
выборки напряжение на шине X близко к нулю, транзисторы VT5 и VT6 закрыты, триггер отключен от шин столбца и
элемент памяти хранит ранее записанную информацию.
При записи информации на одну из шин столбца подают напряжение U0, а на другую – U1, после этого на
адресную шину Х поступает положительный импульс с амплитудой близкой к напряжению Uип., который открывает
транзисторы VT5 и VT6 и в точках А и В устанавливаются такие же напряжения, что и на шинах Y′,Y″ и триггер
находится в необходимом состоянии. В режиме считывания при поступлении на шину Х импульса выборки VT5 и VT6
отпираются и на шинах столбца устанавливаются напряжения, соответствующие состоянию триггера (U0 на одной из
шин и U1 на другой), которые воспринимаются усилителем считывания. Таким образом, импульс на адресной шине в
обоих режимах играет роль тактового импульса.
На рисунке 9.19,б изображена запоминающая ячейка динамического типа, в которой информация сохраняется с
помощью конденсаторов С1 и С2, сформированных транзисторами. Алгоритм записи и считывания аналогичен
предыдущему случаю.
При записи на шины Y′ и Y″ поданы соответственно уровни 0 и –ЕС=Uип.. Уровень –ЕС через ключ VT4 поступает
на затвор VT1, который будет открыт. На затвор VT2 подается уровень 0 и он будет закрыт. На емкостях С1 и С2
напряжения будут иметь значения соответственно Uс1=-ЕС, Uс2=0. Остаточный ток запертого VT2 мал и С1 будет разряжаться очень медленно. Следовательно, Uс1 и Uс2 будут сохраняться длительное время.
Для поддержания напряжения на емкости постоянным при ее неизбежном разряде при считывании осуществляют
регенерацию, т.е. периодически производят запись того же кода. Динамические запоминающие ячейки из-за отсутствия
источника питания в режиме хранения не потребляют мощности, поэтому они экономичнее статических.
Запоминающие ячейки на МДП(МОП)-транзисторах экономичнее и компактнее по сравнению с ячейками на
биполярных транзисторах. Однако последние обладают лучшим быстродействием, чем МДП ячейки.
Среди биполярных наибольшее распространение получили ячейки памяти статического типа, пример которой на
основе многоэмиттерных транзисторов VT1 и VT2 изображен на рисунке 9.20. Шина строки Х′ выполняет также роль
линии питания, на нее подается минусовой потенциал. Эмиттеры Э12 и Э22 соединены с шинами столбца Y′ и Y″ и
применяются для записи и считывания.
Вторая шина строки Х″, которая также используется как шина питания, на нее подается плюс. Транзисторы VT3 и
VT4 вместе с генераторами Iy и резисторами не входят в элемент памяти и служат для его управления. В режиме
хранения при одном устойчивом состоянии VT1 открыт и насыщен, а VT2 закрыт, т.е. UКЭ1= UКЭ
нас≈0,1В,
UКЭ2≈U′ип.=Uх″-Uх′. В другом устойчивом состоянии наоборот VT1 закрыт, а VT2 насыщен, т.е. UКЭ1= U′и.п, UКЭ2= UКЭ нас.
На базы VT3 и VT4 подают одинаковые напряжения. На шинах Y′ и Y″ устанавливаются также одинаковые напряжения,
при этом в управляющих эмиттерах Э12, Э22 токи практически отсутствуют.
В режиме считывания на шине Х′ повышается напряжение, на шине Х″ также повышается напряжение на такую
или большую величину. При VT1 открытом, а VT2 закрытом, напряжение UБ2 на VT2 увеличивается также, как и на шине
Х′. Ток в эмиттере Э21 равен нулю, поэтому напряжение на шине Y″ (Uy″) не изменяется. В управляющем эмиттере Э12
транзистора VT1 появляется ток считывания. Напряжение Uy′ повышается, а эмиттерный переход VT3 запирается.
Напряжение UБ1 транзистора VT1 в первый момент скачком изменяется, после чего управляющий эмиттерный переход
отпирается и UБ1 начинает изменяться, после чего управляющий эмиттерный переход отпирается и UБ1 начинает
изменяться с той же скоростью, что и Uy′. На шинах Y′ и Y″ возникает разность напряжений, поступающая на усилитель
считывания.
Задержка между поступлением импульса выборки на шину Х′ и моментом срабатывания усилителя считывания
(время считывания) определяется процессом заряда емкости шины С y током элемента памяти.
При VT1 насыщенном, а VT2 закрытом в режиме записи одновременно с подачей импульса выборки на шину Х′
повышается напряжение на базе транзистора VT4. В результате VT4 запирается и большой ток генератора Iy течет через
эмиттер Э22, переводя VT2 в режим насыщения, при этом напряжение на коллекторе понижается. Транзистор VT1 в результате запирается. На Э12 будет обратное напряжение из-за роста напряжения на базе VT3 и на шине Y′.
Недостатком рассмотренной запоминающей ячейки является относительно низкое быстродействие из-за процесса
рассасывания избыточных неосновных носителей в транзисторе, переключающемся из режима насыщения в закрытое
состояние в режиме записи. Время считывания имеет заметную величину из-за малого тока считывания Iсч.
Для увеличения Iсч подключают генератор тока к шинам Х′ и Х″, а ускорение времени рассасывания достигается
введением в схему диодов, включаемых параллельно R1 и R2.
Из известных биполярных структур для СБИС наиболее пригодны структуры с инжекционным питанием.
27. Емкость p-n перехода. Физическая сущность барьерной и диффузионной емкости. Вольт-фарадная характеристика pn перехода.
1.7.5. Емкость р-n-перехода
Изменение внешнего напряжения на p-n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя, и
соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением
концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого, p-n-переход ведет
себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в pn-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенного внешнего напряжения.
Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость р-n-перехода.
Барьерная емкость соответствует обратновключенному p-n-переходу, который рассматривается как
обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой
служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями
(1.19)
,
где
–
относительная
постоянная
слоя.
диэлектрическая
проницаемость;
– площадь запирающего слоя;
;
–
электрическая
– толщина запирающего
Барьерная емкость возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической
проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. В зависимости от площади
перехода
может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости
является то, что она является нелинейной емкостью. При возрастании обратного напряжения толщина
перехода
увеличивается
зависимости
влиянием
и
показывает
емкость
емкость
график
уменьшается.
на
рис. 1.22.
Как
Характер
видно,
под
изменяется в несколько раз.
Рис. 1.22. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения
Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при
прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда
носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный
потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- иp-областях. Каждому
значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных
зарядов
и
, накопленных в n- и p-областях за счет диффузии
носителей через переход. Емкость
потенциалов:
представляет собой отношение зарядов к разности
(1.20)
.
С
увеличением
характеристика
чем
и
для
прямой
прямого
ток
тока
растет
имеет
быстрее,
нелинейный
чем
вид,
напряжение,
поэтому
т. к.
вольт-амперная
растет
быстрее,
увеличивается.
Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т. к. она
шунтируется малым прямым сопротивлением p-n-перехода. Численные оценки величины диффузионной
емкости показывают, что ее значение составляет несколько единиц микрофарад.
Таким образом, р-n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости,
управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.
29. Переходные процессы в p-n переходе. Установление прямого напряжения и восстановление обратного
сопротивления.
Время установления прямого напряжения на диоде (прямого сопротивления). Определяется скоростью диффузии
инжектированных в базу неосновных носителей заряда, в результате чего изменяется сопротивление базы.
Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация
неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.
Время восстановления обратного сопротивления диода – основной параметр выпрямительных диодов, который
характеризуется их инерционными свойствами. Определяется как время, в течение которого обратный ток диода после
переключения полярности приложенного напряжения достигает своего стационарного значения.
2.3. Импульсные диоды
Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных
процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.
Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на
обратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунды, при этом важную роль
играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве
коммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствует высокому уровню
инжекции, т. е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметры
импульсных диодов определяются переходными процессами.
Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рис. 2.11). Точечный
диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде
тонкой проволоки и стеклянного баллона. Особенностью точечных диодов является большое
сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения на диоде.
В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными
диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых
методах формирования p-n-переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания).
Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид
галлия.
Рис. 2.11. Конструкция импульсного диода:
1 – кристалл полупроводника; 2 – кристаллодержатель; 3 – припой; 4 – контактная пружина;
5 – стеклянный корпус; 6 – коваровая трубка; 7 – внешние выводы
Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения
времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводят примесь
золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетических уровней
рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.
В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянный или
металлический корпус с ленточными выводами.
Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса
(рис. 2.12).
При прямом напряжении на участке
происходит инжекция носителей из эмиттерной
области в базовую и их накопление там. При смене полярности напряжения на обратную в первый
момент величина обратного тока будет значительна, а обратное сопротивление диода резко
уменьшится, так как накопленные в базе неосновные носители под действием изменившегося
направления напряженности электрического поля начнут двигаться в сторону p-n-перехода, образуя
импульс обратного тока. По мере перехода их в эмиттерную область, их количество уменьшится и через
некоторое время обратный ток достигнет нормального установившегося значения, а сопротивление
диода в обратном направлении восстановится до нормальной величины.
Рис. 2.12. Переходные процессы в импульсном диоде
Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение
которого
обратный
ток
изменяется
от
максимального
значения
до
установившегося,
называется временем восстановления
обратного сопротивления. Время восстановления
обратного сопротивления – один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем оно меньше, тем
диод лучше. Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым
временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам p-nпереход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной емкости перехода
.
Выводы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.
Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из
одного состояния в другое.
Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов является время
восстановления обратного сопротивления.
Для уменьшения используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасывания неосновных
носителей заряда в базе.
Требованиям, предъявляемым к импульсным диодам, хорошо удовлетворяют диоды на основе
барьера Шоттки, которые имеют очень малую инерционность благодаря отсутствию инжекции и
накопления неосновных носителей заряда в базе.
3.1.5. Переходные процессы.
При работе диода в импульсном режиме переходные процессы в нем определяются его
емкостными характеристиками. Для малого сигнала значения емкостей можно считать величинами
постоянными. При больших сигналах имеют место нелинейные процессы, что может приводить к
специфической реакции прибора.
Рассмотрим влияние процесса накопления и рассасывания инжектированного заряда
(диффузионной емкости) на переходные характеристики тока через переход. На рис. 31 показана
электрическая схема, которая может быть использована для изучения переходных характеристик
диода, обусловленных свойствами pn перехода. Для задания напряжения произвольной формы на
диоде служит импульсный генератор. Регистрация сигналов осуществляется двухканальным
осциллографом. Напряжение на диоде регистрируется дифференциальным входом U. Ток
регистрируется по падению напряжения на малом сопротивлении Rи, напряжение с которого
подается на асимметричный вход осциллографа I. Сопротивление Rи много меньше сопротивления
толщи базы диода и не оказывает существенного влияния на переходные процессы.
Рис. 31. Схема для исследования переходных характеристики диода с pn переходом.
31. Контакт металл-полупроводник. Омические и выпрямляющие контакты.
1.7.6. Контакт «металл – полупроводник»
В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с p-n-переходом применяются
контакты «металл – полупроводник».
Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового
кристалла n или р-типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются
соотношением работ выхода электрона из металла
и из полупроводника
. Под работой
выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на
энергетический уровень свободного электрона. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов
может выйти из данного тела.
В результате диффузии электронов и перераспределением зарядов нарушается электрическая
нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и
контактная разность потенциалов
(1.21)
.
Переходный слой, в котором существует контактное электрическое поле при контакте «металл –
полупроводник», называется переходом Шоттки, по имени немецкого ученого В. Шоттки, который
первый получил основные математические соотношения для электрических характеристик переходов.
Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточено практически в полупроводнике, так
как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в
полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом
с межатомным расстоянием.
В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле
может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой носителями электрических зарядов.
1.
, полупроводник n-типа (рис. 1.23, а). В данном случае будет преобладать выход
электронов из металла
в полупроводник, поэтому в слое полупроводника около границы
раздела накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т. е.
имеющий повышенную концентрацию электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой
полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими
свойствами. Его иначе называют невыпрямляющим переходом.
2.
, полупроводник p-типа (рис. 1.24, б). В этом случае будет преобладать выход
электронов из полупроводника в металл, при этом в приграничном слое также образуется область,
обогащенная основными носителями заряда (дырками), имеющая малое сопротивление. Такой переход
также не обладает выпрямляющим свойством.
Рис. 1.23. Контакт «металл – полупроводник», не обладающий выпрямляющим свойством
3.
, полупроводник n-типа (рис. 1.24, а). При таких условиях электроны будут переходить
главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется
область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Здесь
создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно зависеть
от полярности приложенного напряжения Если
, то возможно образование инверсного
слоя (p-типа). Такой контакт обладает выпрямляющим свойством.
Рис. 1.24. Контакт «металл – полупроводник», обладающий выпрямляющим свойством
4.
, полупроводник p-типа (рис. 1.24, б). Контакт образованный при таких условиях
обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий.
Отличительной особенностью контакта «металл – полупроводник» является то, что в отличие от
обычного p-n-перехода здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В
результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т. е. при
протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться
неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых
приборов.
1.7.9. Свойства омических переходов
Основное назначение омических переходов – электрическое соединение полупроводника с
металлическими токоведущими частями полупроводникового прибора. Омических переходов в
полупроводниковых приборах больше, чем выпрямляющих. Случаи производственного брака и отказов
работы полупроводниковых приборов из-за низкого качества омических переходов довольно часты. При
разработке полупроводниковых приборов создание совершенных омических переходов нередко требует
больших усилий, чем создание выпрямляющих переходов.
Омический переход имеет меньшее отрицательное влияние на параметры и характеристики
полупроводникового прибора, если выполняются следующие условия:
если вольт-амперная характеристика омического перехода линейна, т. е. омический переход
действительно является омическим;
если отсутствует инжекция неосновных носителей заряда через омический переход в прилегающую
область полупроводника и накопление неосновных носителей в омическом переходе или вблизи
него;
при минимально возможном падении напряжения на омическом переходе, т. е. при минимальном его
сопротивлении.
Структура реального омического контакта в полупроводниковых приборах, в соответствии с
перечисленными требованиями, имеет сложное строение и состоит из нескольких омических переходов
(рис. 1.27).
Рис. 1.27. Структура реального невыпрямляющего контакта с последовательно соединенными
омическими переходами
Для уменьшения вероятности накопления неосновных носителей заряда около омического перехода
между металлом и полупроводником высота потенциального барьера для неосновных носителей заряда
должна быть как можно меньше. Для этого необходимо подобрать металл и полупроводник с равной или
близкой
работой
выхода
электрона
.
Так
как
это
трудно
обеспечить,
то
поверхностный слой полупроводника должен быть сильно легирован соответствующей примесью для
обеспечения возможности туннелирования носителей заряда сквозь тонкий потенциальный барьер.
Вблизи омического перехода между полупроводниками с одним типом электропроводности, но с
различной концентрацией примеси, также может происходить накопление неосновных носителей заряда.
Для уменьшения влияния этого эффекта на параметры и характеристики полупроводникового прибора в
поверхностный слой полупроводника вводят примеси рекомбинационных ловушек (к примеру, золото),
что уменьшает время жизни носителей заряда в этой части структуры. При этом накопленные носители
заряда будут быстрее рекомбинировать.
34. Характеристики и параметры биполярного транзистора. Энергетические диаграммы в равновесном и неравновесном
состояниях, физические процессы.
3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе
Физические процессы в биполярном транзисторе при усилении электрических сигналов рассмотрим на
примере рис. 3.4. К транзистору подключают два источника ЭДС:
сигнала, и
– ЭДС источника входного
– ЭДС источника питания (мощного источника). ЭДС
подключается так, чтобы
эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а ЭДС
должна смещать коллекторный
переход в обратном направлении. Тогда при отсутствии тока в цепи источника входного сигнала (во
входной цепи транзистора) нет тока и в цепи источника питания (в выходной цепи). Строго говоря, в
выходной цепи будет протекать очень маленький ток – обратный ток закрытого коллекторного
перехода
, но им ввиду его малости можно пренебречь. Если же во входной цепи транзистора
создать под действием источника
какой-то ток
, то дырки, являющиеся основными носителями
в р-области эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они становятся уже неосновными
носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрического поля коллекторного перехода,
будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены
через границу раздела в область коллектора (область р-типа), где дырки уже являются основными
носителями. Таким образом, в цепи источника питания появится ток – ток коллектора
протекая, по сопротивлению нагрузки
, который,
, создает там падение напряжения:
(3.1)
,
которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяет все изменения входного сигнала.
Рис. 3.4. Движение носителей заряда и токи в биполярном транзисторе при активном режиме работы
Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу, достигают коллекторного
перехода; часть из них рекомбинирует в базе по пути движения от эмиттерного перехода к
коллекторному – ток
. Поэтому ток коллектора
принципиально меньше тока эмиттера .
Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:
(3.2)
.
Чтобы увеличить коэффициент передачи по току область базы делают тонкой, чтобы меньшее
количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают
больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы. Таким
образом, удается достичь величины коэффициента передачи по току
и более.
Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет
, все же коэффициент
передачи по мощности может быть значительно больше единицы за счет большого усиления по
напряжению. Ведь даже при малой величине коллекторного тока
падение напряжения на
сопротивлении нагрузки
может быть значительным, за счет большой величины напряжения
источника питания. Отметим, что в транзисторах n-p-n типа все описанные процессы протекают точно
также, но полярность источников
и
должна быть противоположной, а из эмиттера в базу будут
инжектироваться электроны, и электроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи
источника
.
Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала в транзисторе происходит
изменение
ширины
базового
слоя
,
так
как
под
действием
внешних
источников
и
толщина p-n-переходов изменяется, что в условиях малой ширины базового слоя
происходит ее модуляция (данное явление получило название эффект Эрли). Это приводит к ряду
особенностей:
1.
Чем уже становится база, тем меньшее количество инжектированных носителей будет
рекомбинировать в ней и, следовательно, большее количество их достигнет коллекторного перехода
и будет участвовать в образовании тока коллектора
передачи по току .
2.
3.
4.
5.
. Это приведет к изменению коэффициента
Изменение тока
при
приводит к зависимости
от
, т. е. к изменению
сопротивления коллекторного перехода.
Поскольку при этом меняется заряд носителей в базе, то это приводит к изменению емкости p-nперехода.
Изменение ширины базового слоя приводит к изменению времени прохождения зарядами базовой
области, т. е. к изменению частотных свойств транзистора.
Изменение ширины базы влияет на величину тока
при неизменном значении
.
Как крайнюю степень проявления модуляции ширины базы следует рассматривать явление,
называемое проколом базы. Прокол базы наступает тогда, когда под действием большого значения ЭДС
источника питания
ширина коллекторного перехода возрастает настолько, что происходит его
смыкание с эмиттерным переходом, что весьма вероятно в условиях малой толщины базовой области.
При этом
, а транзистор пробивается.
Основные параметры биполярных транзисторов:
1.
Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока:
;
2.
.
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (единицы – десятки Ом)
.
3.
Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении (единицы наноампер
– десятки миллиампер)
;
4.
Объемное сопротивление базы
5.
Выходная проводимость
(доли – сотни мкСм)
.
(десятки – сотни Ом).
или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода
;
.
6.
Максимально допустимый ток коллектора
7.
Напряжение насыщения коллектор – эмиттер
8.
Наибольшая мощность рассеяния коллектором
9.
Ёмкость коллекторного перехода
(сотни миллиампер – десятки ампер).
(десятые доли – один вольт).
(милливатт - десятки ватт).
(единицы – десятки пикофарад).
Выводы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
При прямом напряжении, приложенном к эмиттерному переходу, потенциальный барьер понижается,
и в базу инжектируются носители заряда.
Инжектированные в базу неосновные носители заряда диффундируют в сторону коллекторного
перехода.
Вследствие того, что ширина базы транзистора мала и концентрация основных носителей заряда в
ней низкая, почти все инжектированные в базу неосновные носители заряда достигают
коллекторного перехода и перебрасываются полем потенциального барьера в коллектор, образуя
управляемый ток коллектора.
Небольшая часть инжектированных носителей заряда успевает рекомбинировать в базе, образуя
рекомбинированную составляющую тока эмиттера, которая замыкается через цепь базы.
Через цепь базы замыкается также небольшая составляющая тока эмиттера, образованная
диффузией неосновных носителей заряда из базы в эмиттер, и обратный ток коллекторного
перехода.
3.4. Статические характеристики биполярного транзистора
Статическими характеристиками называются зависимости между входными и выходными токами и
напряжениями транзистора при отсутствии нагрузки. Каждая из схем включения транзистора
характеризуется четырьмя семействами статических характеристик:
1. Входные характеристики – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянстве
напряжения на выходе:
(3.22)
;
2. Выходные характеристики – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при
фиксированном значении входного тока:
(3.23)
;
3. Характеристика обратной связи по напряжению:
(3.24)
;
4. Характеристика передачи по току:
(3.25)
.
Наиболее часто на практике используют входные и выходные характеристики, которые обычно
приводятся в справочной литературе и представляют собой усредненные зависимости большого числа
однотипных транзисторов. Две последние характеристики применяют реже и, к тому же, они могут быть
построены из входных и выходных характеристик.
3.4.1. Статические характеристики для схемы с общей базой
3.4.2 Статические характеристики для схемы с общим эмиттером
3.4.1. Статические характеристики для схемы с общей базой
1. Семейство входных статических характеристик (рис. 3.8) представляет собой зависимость
.
При
входная
характеристика
представляет
характеристики эмиттерного перехода. При
прямую
ветвь
вольт-амперной
данная характеристика смещается немного
выше оси абсцисс, т. к. при отсутствии входного сигнала
переход протекает маленький обратный ток
собой
через запертый коллекторный
, который создает на объемном сопротивлении базовой
области
падение напряжения, приложенное к эмиттерному переходу в прямом направлении
(рис. 3.9). Именно это падение напряжения и обусловливает протекание через эмиттерный переход
маленького прямого тока и смещение вверх входной характеристики (рис. 3.8 б).
Рис. 3.8. Входные характеристики схемы с общей базой
При
коллекторный переход смещается в прямом направлении, через него протекает
прямой ток и, следовательно, падение напряжения на сопротивлении базы
изменит полярность на
противоположную, что вызовет при отсутствии входного сигнала протекание через эмиттерный переход
маленького обратного тока и, следовательно, смещение входной характеристики вниз (рис. 3.8 ).
2. Семейство выходных статических характеристик (рис. 3.9) представляет собой зависимости
.
Рис. 3.9. Выходные характеристики схемы с общей базой
Если
, то выходная характеристика представляет собой обратную ветвь вольт-амперной
характеристики коллекторного перехода. При
при отсутствии источника коллекторного питания
ток в коллекторной цепи будет протекать даже
за счет экстракции инжектированных в
базу носителей полем коллекторного перехода. При увеличении напряжения
коллекторный ток
практически
не
меняется,
т. к.
количество
инжектированных
в
базу
носителей
не
меняется
, а возрастает только скорость их перемещения через коллекторный
переход. Чем больше уровень тока
, тем больше и коллекторный ток
.
При изменении полярности
на противоположную, меняется и включение коллекторного
перехода с обратного на прямое. Поэтому ток
изменяет свое направление на противоположное.
вначале очень быстро снижается до нуля, а затем
3.4.2 Статические характеристики для схемы с общим эмиттером
1. Семейство входных статических характеристик представляет собой зависимость
.
Вид этих характеристик показан на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Входные характеристики схемы с общим эмиттером
При
эта
характеристика представляет собой прямую ветвь вольт-амперной
характеристики эмиттерного перехода. При этом коллекторный переход оказывается включенным в
прямом направлении на напряжение источника
(рис. 3.11, а).
Рис. 3.11. Выходные характеристики схемы с общим эмиттером
При включении источника
т. к. в случае
характеристика пойдет несколько ниже предыдущей,
(рис. 3.11, б) источник
отсутствует и через коллекторный переход
протекает маленький обратный ток
под действием источника
противоположно тому, когда включен источник
При
включении
протекания
и
этот
, направление которого в базе
.
ток
будет
уменьшаться,
т. к.
в
цепи
его
будут включены встречно, а затем он перейдет через ноль и будет возрастать в
положительном направлении под действием
. Однако в справочной литературе этим малым
значением тока пренебрегают, и входные характеристики представляют исходящими из начала
координат.
2. Выходные статические характеристики (рис. 3.12) представляют собой зависимости
.
Рис. 3.12. Выходные характеристики схемы с общим эмиттером
При
эта
характеристика
представляет
характеристики коллекторного перехода. При
собой
обратную
ветвь
вольт-амперной
характеристики имеют большую крутизну в
области малых значений
, т. к. при условии
(рис. 3.12), коллекторный переход включен
в прямом направлении; поэтому сопротивление его незначительно и достаточно небольшого изменения
напряжения на нем, чтобы ток Iк изменился значительно. Более того, при
(рис. 3.12) все
характеристики кроме начальной
исходят не из начала координат, а ниже (рис. 3.13), так
как ток коллекторного перехода в этом случае является прямым и имеет направление противоположное
по отношению к обычному току коллектора.
Рис. 3.13. Особенность выходных характеристик схемы с общим эмиттером
Но этим маленьким смещением характеристик пренебрегают и в справочниках представлены
характеристики, исходящие из начала координат. При больших значениях
характеристики идут
значительно положе, так как практически все носители, инжектированные из эмиттера в базу, принимают
участие
в
образовании
коллекторного
пропорциональному росту тока
тока
и
дальнейшее
увеличение
не
приводит
к
. Однако небольшой наклон характеристики все же имеется, так как с
увеличением
увеличивается ширина коллекторного перехода, а ширина базовой области, с учетом
ее и без того малой величины, уменьшается. Это приводит к уменьшению числа рекомбинаций
инжектированных в базу носителей и, следовательно, к увеличению количества носителей,
переброшенных в область коллектора. Кроме того, по этой же причине несколько снижается базовый
ток
, а поскольку характеристики снимаются при условии
несколько увеличивать напряжение
следовательно, тока коллектора
увеличением
, что приводит к некоторому возрастанию тока эмиттера
. Еще одной причиной некоторого роста
и,
является то, что с
возрастает и та его часть, которая приложена к эмиттерному переходу в прямом
направлении. Это тоже приводит к некоторому увеличению тока эмиттера
коллектора
, то при этом необходимо
и, следовательно, тока
.
Статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, аналогичны
характеристикам транзистора с общим эмиттером.
Две оставшиеся статические характеристики – характеристика обратной связи по напряжению (3.24) и
характеристика передачи по току (3.25) могут быть построены для всех схем включения транзистора из
его входных и выходных характеристик. Пример такого построения для схемы с общим эмиттером для
транзистора КТ201Б представлен на рис. 3.14.
Рис. 3.14. Выходные характеристики схемы с общим эмиттером
В первом квадранте размещаются выходные статические характеристики транзистора
.
В третьем квадранте размещено семейство входных характеристик
,
снятые для фиксированных значений напряжения
характеристики для
абсцисс токи базы
,
. В справочниках чаще всего даются эти
. Тогда, откладывая влево от начала координат по оси
можно построить характеристику передачи по току
.
Для этого из точки
восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с выходными
характеристиками (точки 1, 2, 3, 4, 5, 6), а затем проецируем эти точки до пересечения с перпендикулярами,
соответствующими
базовым
токам,
при
которых
сняты
выходные
характеристики
.
По
этим
точкам
пересечения и строим искомую характеристику
. А теперь с использованием построенной
характеристики можно построить характеристики обратной связи по напряжению:
.
Для этого, задавая дискретные значения напряжений
на оси абсцисс и восстанавливая из этих точек
перпендикуляры, переносим точки пересечения с соответствующими выходными характеристиками в
четвертый квадрант, используя при этом в качестве переходной характеристику
и
характеристику входную
. При этом считаем, что при
все входные
характеристики идут настолько близко друг к другу, что практически сливаются с характеристикой
при
.
Биполярные транзисторы
В
рабочем
режиме
биполярного
транзистора
протекают
следующие
физические
процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.
Рассмотрим р-n переход эмиттер – база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом
смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения
инжектированных дырок рn(х) по базе описывается следующим уравнением:
(14.20)
.
Схематически распределение инжектированных дырок рn(х) показано на рис. 14.6.
Рис. 14.6. Распределение инжектированных дырок в базе
Процесс переноса инжектированных носителей через базу диффузионный. Характерное расстояние, на которое
неравновесные носители распространяются от области возмущения, – диффузионная длина Lp. Поэтому, если
необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше
диффузионной длины Lp. Условие W < Lp является необходимым для реализации транзисторного эффекта – управления
током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.
В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями
в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти
такое же количество носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток.
Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно
смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в биполярном
транзисторе реализуются четыре физических процесса [53]:
•
инжекция из эмиттера в базу;
•
диффузия через базу;
•
рекомбинация в базе;
•
экстракция из базы в коллектор.
Эти процессы для одного типа носителей схематически показаны на рис. 14.7.
Рис. 14.7. Зонная диаграмма биполярного транзистора:
а – в равновесном состоянии; б – в активном режиме
На рис. 14.7, а показана зонная диаграмма биполярного транзистора в схеме с общей базой в условиях равновесия.
Значками (+) и (–) на этой диаграмме указаны электроны и дырки.
Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном переходе – прямое
напряжение, на коллекторном – обратное) является основным. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться транзистор
в активном режиме, для p-n-р биполярного транзистора Uэ > 0, Uк < 0.
Для биполярного транзистора p-n-р типа в активном режиме (рис. 14.7, б) эмиттерный переход смещен в прямом
направлении, и через него происходит инжекция дырок как неосновных носителей в базу. База должна иметь достаточно
малую толщину W (W << Lp, где Lp – диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные в базу
неосновные носители не успевали прорекомбинировать за время переноса через базу. Коллекторный переход,
нормально смещенный в обратном направлении, «собирает» инжектированные носители, прошедшие через слой базы.
Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах (рис. 14.8). Для любого p-n перехода
ток J определяется суммой электронной Jn и дырочной Jp компонент, а они, в свою очередь, имеют дрейфовую и
диффузионную составляющие:
(14.21)
.
При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения Uэ > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит
инжекция дырок из эмиттера в базу Iэр и электронов из базы в эмиттер Iэn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного
сильнее базы, ток инжектированных дырок Iэр будет значительно превышать ток электронов Iэn. Инжектированные в
базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу, и, если ширина базы W много
меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного p-nр перехода будут переброшены в р-область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь
немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером. Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме
(Uк < 0, |Uк| >> 0):
(14.22)
,
где Iэ – ток в цепи эмиттера, Iк – ток в цепи коллектора, Iб – ток на базовом выводе.
В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение, и через переход течет эмиттерный ток Iэ, имеющий
две компоненты:
(14.23)
,
где Iэр – ток инжекции дырок из эмиттера в базу, Iэn – ток инжектированных электронов из базы в эмиттер. Величина
«полезной» дырочной компоненты равняется Iэp = γ·Iэ, где γ – эффективность эмиттера. Величина дырочного
эмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γκIэ.
Ток базы Iб транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном
переходе Iэn = (1 – γ)·Iэ, рекомбинационный ток в базе (1 - κ)γIэ и тепловой ток коллектора Iк0.
Тепловой ток коллектора Iк0 имеет две составляющие:
,
(14.24)
где I0 – тепловой ток, Ig – ток генерации.
На рис. 14.8 приведена схема биполярного транзистора в активном режиме, иллюстрирующая компоненты тока в
схеме с общей базой.
Рис. 14.8. Схема, иллюстрирующая компоненты тока в биполярном транзисторе в схеме с общей базой
Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой приведены на рис. 14.9 [53].
Рис. 14.9. Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме:
а – семейство эмиттерных характеристик; б – семейство коллекторных характеристик
Из рисунка видно, что коллекторные характеристики эквидистантны. При напряжении на коллекторе, равном
нулю, Uк = 0, ток коллектора уже достаточно большой и в дальнейшем по мере роста коллекторного напряжения не
меняется. При небольшом прямом смещении коллекторного перехода коллекторный ток резко убывает и становится
равным нулю при значениях смещения на коллекторе, равных напряжению на эмиттере. Для семейства эмиттерных
кривых характерна слабая зависимость от коллекторного напряжения. При напряжении на коллекторе, равном
нулю, Uк = 0,
эмиттерная
характеристика
полностью
совпадает
с
вольт-амперной
характеристикой
эмиттерного p-n перехода. При увеличении напряжения на коллекторе ток эмиттера слабо меняется вследствие эффекта
модуляции ширины базы.
Для активного режима, когда Uэ > 0, Uк < 0, |Uк| << 0, выражения семейства коллекторных и эмиттерных
характеристик описываются следующими соотношениями:
(14.25)
(14.26)
.
Идеализированные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой в виде (14.26)
являются наиболее распространенными при анализе физических процессов, происходящих в базе транзистора.
35. Биполярные транзисторы интегральных микросхем: изоляция p-n переходом, комбинированная изоляция.
7.1.1. Биполярный транзистор
Биполярный транзистор является распространенным активным элементом в современных
интегральных микросхемах. Структура биполярного транзистора в интегральных микросхемах
отличается от структуры дискретного транзистора изоляцией от подложки.
Биполярные транзисторы микросхем формируются на полупроводниковой подложке p-типа в
изолированных от нее областях n-типа, называемых карманами. Изоляция карманов от подложки может
быть выполнена несколькими способами. Самый идеальный способ изоляции с помощью диоксида
кремния, однако, он является технологически сложным (рис. 7.2, а). Наиболее простой способ изоляции с
помощью обратносмещенного p-n-перехода, но он несовершенен из-за наличия обратного тока
(рис. 7.2, б). Основным методом изоляции при производстве интегральных микросхем является создание
комбинированной изоляции, сочетающей два предыдущих (рис. 7.2, в).
Рис. 7.2. Способы изоляции карманов от подложки
Наибольшее распространение получили транзисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой все
выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки (рис. 7.3).
Такая структура называется планарной. Структура состоит из эмиттерной 1, базовой 2 и коллекторной 3
+
областей. Под коллекторной областью расположен скрытый n -слой 4. От внешних воздействий
структура защищена диоксидом кремния
5, в котором имеются окна 6 для присоединения
металлических выводов 7 к соответствующим областям структуры.
+
Рис. 7.3. Структура биполярного транзистора со скрытым n -слоем
Особенностью данной структуры является то, что вывод от коллекторной области интегрального
транзистора осуществляется на верхней поверхности кристалла. Поэтому для уменьшения объемного
+
+
сопротивления области коллектора создается скрытый n -слой. Однако даже при наличии скрытого n слоя сопротивление коллекторной области интегрального транзистора оказывается больше
+
аналогичного сопротивления дискретного транзистора, так как скрытый n -слой отделен от
коллекторного электрода высокоомным слоем коллекторной области. Это приводит к некоторому
ухудшению частотных свойств интегрального транзистора в связи с увеличением постоянной времени
цепи коллектора (времени перезаряда барьерной емкости коллектора). Поэтому граничные
частоты
биполярных
транзисторов
в
интегральных
микросхемах
обычно
не
превышают
. При этом необходимо также учесть, что выходная емкость интегрального
транзистора состоит не только из барьерной емкости коллекторного перехода, но и из барьерной
емкости изолирующего перехода между областью коллектора интегрального транзистора и остальной
частью кристалла.
Основу биполярных интегральных микросхем составляют транзисторы n-p-n-типа, это вызвано
удобствами формирования именно n-p-n-структур и несколько лучшими параметрами интегральных n-pn-транзисторов по сравнению с параметрами интегральных транзисторов p-n-p-типа.
Дело в том, что для формирования сильнолегированных эмиттерных областей транзисторов n-p-n-типа
обычно используют диффузию фосфора, который имеет большую растворимость в кремнии и
относительно малый коэффициент диффузии. Таким образом, для формирования p-n-p-транзистора в
интегральной микросхеме, содержащей n-p-n-транзисторы, необходимо еще провести дополнительную
диффузию какого-то акцептора с предельной растворимостью, превышающей предельную
растворимость фосфора. А такие акцепторы практически отсутствуют.
Поэтому основным приемлемым вариантом интегрального транзистора p-n-p-типа является так
называемый горизонтальный или боковой транзистор (рис. 7.4). Для его формирования не надо вводить
дополнительных технологических операций, так как p-области его эмиттера и коллектора получаются
одновременно при создании p-области базы транзистора n-p-n-типа. Однако горизонтальный p-n-pтранзистор оказывается бездрейфовым из-за однородного легирования его базовой области –
эпитаксиального слоя. Толщина активной части базы горизонтального транзистора получается
относительно большой. Все это приводит к посредственным частотным свойствам горизонтального
транзистора: его граничная частота не превышает обычно нескольких десятков мегагерц.
Рис. 7.4. Структура горизонтального транзистора
У горизонтального транзистора должны быть одинаковыми пробивные напряжения эмиттерного и
коллекторного переходов. Близкими должны быть и коэффициенты передачи тока эмиттера при
нормальном и инверсном включении такого транзистора, так как области эмиттера и коллектора
одинаковы по свойствам.
Горизонтальная структура позволяет легко осуществить многоколлекторный транзистор. Для этого
достаточно кольцевую область коллектора разделить на несколько частей и предусмотреть отдельные
выводы от каждой части – от каждого коллектора. Коэффициент передачи тока для каждого коллектора
будет, конечно, в соответствующее число раз меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы
будут действовать «синхронно», а нагрузки во всех коллекторных цепях будут электрически разделены.
Многоколлекторный транзистор оказывается удобным для некоторых цифровых интегральных
микросхем.
36. Параметры МДП-транзистора (крутизна стоково-затворной характеристики, внутреннее сопротивление коэффициент
усиления по напряжению, напряжение пробоя).
4.4. Основные параметры полевых транзисторов
1. Крутизна характеристики:
(4.3)
,
где
– приращение тока стока;
– приращение напряжения на затворе.
Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Этот параметр определяют по управляющим
характеристикам.
2. Внутреннее (выходное) сопротивление
:
(4.4)
,
где
– приращение напряжения стока;
– приращение тока стока.
Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора между стоком
(сопротивление
канала)
для
переменного
тока.
На
пологих
участках
характеристик
достигает сотен
транзистора по постоянному току
3. Коэффициент усиления
и
истоком
выходных
и оказывается во много раз больше сопротивления
.
:
(4.5)
,
Коэффициент усиления показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение
напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока, т. е. выражается отношением таких
изменений
и
, которые компенсируют друг друга в результате чего ток остается
постоянным. Для подобной компенсации
и
определяет наличие знака «–» в правой части выражения (4.5).
Эти три параметра (
,
,
должны иметь разные знаки, что
) связаны между собой зависимостью:
(4.6)
,
4. Входное сопротивление
:
(4.7)
,
где
– приращение напряжения на затворе;
– приращение тока стока;
Поскольку током затвора является обратный ток p-n-перехода, который очень мал, то входное
сопротивление оказывается очень большим, что является основным достоинством полевого
транзистора.
5. Входная емкость между затвором и истоком
перехода и может составлять единицы – десятки
транзистора.
Типовые
значения
параметров
переходом:
;
;
кремниевых
, которая является барьерной емкостью p-nв зависимости от способа изготовления полевого
полевых
транзисторов
с
управляющим p-n-
;
.
Еще одним важным достоинством полевого транзистора является гораздо меньшая температурная
зависимость по сравнению с биполярными транзисторами. Это связано с тем, что в полевом транзисторе
ток
вызван перемещением основных носителей, концентрация которых в основном определяется
количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры. Полевой транзистор обладает более
высокой стойкостью к действию ионизирующего излучения. Недостатком полевых транзисторов является
недостаточно высокая крутизна
, что несколько ограничивает область их применения.
37. Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии: энергетическая диаграмма, распределение потенциала и
электрического поля, ширина обедненной области.
1.7.1. Электронно-дырочный переход
Работа целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана
на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости, либо в
точечном контакте полупроводника с металлом. Граница между двумя областями монокристалла
полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p, а другая – типа n называется
электронно-дырочным переходом. Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут
быть равными или существенно отличаться.
p-n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны
называют симметричным.
Если
концентрации
основных
носителей
заряда
различны
,
(
или
) и отличаются в 100...1000 раз, то такие переходы
называют несимметричными. Несимметричные p-n-переходы используются шире, чем симметричные,
поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.
Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис. 1.12) в котором с одной стороны введена акцепторная
примесь, обусловившая возникновение здесь электропроводности типа p, а с другой стороны введена
донорная примесь, благодаря которой там возникла электропроводность типа n. Каждому подвижному
положительному носителю заряда в области p (дырке) соответствует отрицательно заряженный ион
акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической решетки, а в
области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной
примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным.
Рис. 1.12. Начальный момент образования p-n-перехода
Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают
перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Так дырки будут
диффундировать из области p в область n, а электроны – наоборот, из области n в область p. Это
направленное навстречу друг другу перемещение электрических зарядов образует диффузионный ток pn-перехода. Но как только дырка из области p перейдет в область n, она оказывается в окружении
электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n. Поэтому велика
вероятность того, что какой-либо электрон заполнит свободный уровень в дырке и произойдет явление
рекомбинации, в результате которой не будет ни дырки, ни электрона, а останется электрически
нейтральный атом полупроводника. Но если раньше положительный электрический заряд каждой дырки
компенсировался отрицательным зарядом иона акцепторной примеси в области p, а заряд электрона –
положительным зарядом иона донорной примеси в области n, то после рекомбинации дырки и электрона
электрические заряды неподвижных ионов примесей, породивших эту дырку и электрон, остались не
скомпенсированными. И в первую очередь не скомпенсированные заряды ионов примесей проявляют
себя вблизи границы раздела (рис. 1.13), где образуется слой пространственных зарядов, разделенных
узким промежутком
. Между этими зарядами возникает электрическое поле, которое называют полем
потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон, обусловливающих это
поле, называют контактной разностью потенциалов
.
Рис. 1.13. p-n-переход при отсутствии внешнего напряжения
Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов. Так
дырки в области p – основные носители, попадая в зону действия этого поля, испытывают со стороны
него тормозящее, отталкивающее действие и, перемещаясь вдоль силовых линий этого поля, будут
вытолкнуты вглубь области p. Аналогично, электроны из области n, попадая в зону действия поля
потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубь области n. Таким образом, в узкой области
,
где действует поле потенциального барьера, образуется слой, где практически отсутствуют свободные
носители электрических зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением. Это так
называемый запирающий слой.
Если же в области p вблизи границы раздела каким-либо образом окажется свободный электрон,
являющийся неосновным носителем для этой области, то он со стороны электрического поля
потенциального барьера будет испытывать ускоряющее воздействие, вследствие чего этот электрон
будет переброшен через границу раздела в область n, где он будет являться основным носителем.
Аналогично, если в области n появится неосновной носитель – дырка, то под действием поля
потенциального барьера она будет переброшена в область p, где она будет уже основным носителем,
Движение неосновных носителей через p-n-переход под действием электрического поля потенциального
барьера обусловливает составляющую дрейфового тока.
При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между
потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, то есть между диффузионной и
дрейфовой составляющими тока p-n-перехода, поскольку эти составляющие направлены навстречу друг
другу.
Потенциальная диаграмма p-n-перехода изображена на рис. 1.13, причем за нулевой потенциал
принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе
раздела потенциальный барьер с высотой
. На рис. 1.13 изображен потенциальный барьер для
электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево (из области n в область p).
Если отложить вверх положительный потенциал, то можно получить изображение потенциального
барьера для дырок, диффундирующих слева на право (из области p в область n).
При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле
полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости.
Однако, поскольку в полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается к потолку валентной
зоны
, а в полупроводниках n-типа – ко дну зоны проводимости
, то на ширине p-n-
перехода
барьер:
диаграмма энергетических зон (рис. 1.15) искривляется и образуется потенциальный
(1.13)
,
где
– энергетический барьер, который необходимо преодолеть электрону в области
, чтобы он мог
перейти в область p, или аналогично для дырки в области p, чтобы она могла перейти в область n.
Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении
изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.
Рис. 1.14. Зонная диаграмма p-n-перехода, иллюстрирующая баланс токов в равновесном состоянии
38. Основные понятия об одноэлектронике. Кулоновская блокада. Перспективы использования.
Кулоновская блокада — блокирование прохождения электронов через квантовую точку, включѐнную между
двумя туннельными контактами, обусловленное отталкиванием электронов в контактах от электрона на точке,
а также дополнительным кулоновским потенциальным барьером, который создаѐт электрон, усевшийся на
[1]
точке. Аналогично тому, как поле ядерных сил при альфа распаде препятствует вылету альфачастицы,кулоновский барьер препятствует вылету электрона из точки, а также попаданию новых электронов
на неѐ. Экспериментально кулоновская блокада проявляется как пикообразная зависимость проводимости
точки от потенциала точки, то есть от напряжения на дополнительном электроде (затворе).
Одноэлектроника — это одна из тех областей, где ожидается прорыв в электронике будущего. Надо
сказать, что она родилась у нас в стране. Еѐ родоначальником является профессор К. Лихарев из
Московского государственного университета, который сейчас работает в Нью-Йорке, но, тем не
менее, свои основные работы он сделал где-то 15 лет назад в Советском Союзе. Здесь показана вся
идеология одноэлектронного элемента.
Уровень
технологии
изготовления
ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ
НА ОДНОЭЛЕКТРОННЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДАХ
(по К. К. Лихареву)
Предел
БыстроРлощадь
Уровень
по рабочей
действие,
2
перехода, нм
мощности, Вт
температуре, К
пикосекунд
Степень
интеграции,
затворов на см2
Существующие
переходы
30 x 30
30
10-11
3
109
Предполагаемый
предел
нанолитографии
10 x 10
300
10-9
0,3
1010
Молекулярные
структуры
3x3
3000
10-7
0,03
1011
Если мы имеем очень малого размера туннельный переход, или речь идѐт об островке, то из-за малой величины такой
структуры можно получить разницу энергий электронов в одном и другом состоянии, т. е. по разные стороны перехода,
превышающую kT и при температуре порядка комнатной детектировать отдельные электроны и оперировать с ними.
Существует также требование, налагаемое соотношением неопределенностей, ведущее к ограничению по величине
квантового сопротивления. Такого рода структуры сулят колоссальный выигрыш, в перспективе, по энергопотреблению
и по степени интеграции. Вот она здесь показана таблица по сравнению основных параметром микроэлектроники и
одноэлектроники — я пока говорю о структурах, которые создаются методами нанолитографии — оказывается
возможным резко поднять степень интеграции, улучшить быстродействие, с большими мощностями работать, поднять
рабочую температуру и так далее. Это одно из направлений, ключом, к которому, к одноэлектронике, является создание
таких малых структур, как колечко, которое я показывал. Но в данном случае, я хочу похвастаться вот этой прозрачкой
— эта публикация о нашем Институте в информационном вестнике западногерманской фирмы ―Raith‖,
Публикация в журнале ―Raith‖.
здесь фотография и текст говорят, что учѐным, работающим в Сибири, удалось сфабриковать металлические полоски на
тонкой подложке нитрида кремния размером 10 нм — это 100 ангстрем. Вот с помощью таких подходов созданы
структуры на эффекте кулоновской блокады, на самом деле они просты по исполнению, если отвлечься от малого
размера. Здесь показано как они делаются. Вот это металлический проводник — нанопроволока, которая за счѐт
искуственно созданных ступеней рельефа подложки рвѐтся и тем самым формируются те самые туннельные переходы, о
которых мы говорили. Признаком одноэлектронного транспорта является наличие, так называемой, кулоновской щели,
когда существует диапазон напряжений, при которых из-за кулоновского отталкивания электронов в такого рода
сверхмалых конденсаторах или структурах транспорт электронов оказывается блокированным. Электрон в кулоновском
острове мешает преодолеть туннельные переходы электронам из подводящих контактов. Таким образом, ток через
такую структуру характеризуется одноэлектронные осцилляциями, которые нами успешно наблюдались — это
изумительно красивые зависимости — правда, при температуре жидкого гелия.
Одноэлектронные осцилляции.
Задача состоит в том, чтобы температуру поднять до температуры жидкого азота, до комнатной температуры. Здесь
показана кулоновская щель на вольт-амперной зависимости, а здесь осцилляции затворного напряжения, связанные с
одноэлектронным транспортом. У нас в Институте существует несколько вариантов изготовления таких структур. Вот я
показывал картинку, которая связана с металлическими полосками — это самый простой вариант. Второй это
одноэлектронные структуры на кремнии. Есть, пока уникальная технология с помощью, которой удаѐтся получать слои
кремния толщиной в несколько атомных плоскостей, вот они изображены, замурованные в слои окисла. Это, так
называемая, технология расщепления или получения отсечѐнного кремния,
Одноэлектронный транзистор созданный методом разрыва на ступени.
она разработана в лаборатории выпускника НГУ В. П. Попова. Если будет интерес я подробно об этом поговорю. Хочу
отметить, что это достижение вошло в перечень важнейших достижений Академии наук прошлого года: получение
совершенных сверхтонких слоѐв кремния. Совершенство характеризует — это тоже поперечный срез, электронная
микроскопия атомного разрешения.
Толщина отсечѐнного слоя
кремния
Разброс толщины слоя кремния
на пластине диаметром 100 мм
Ориентация отсеченного
слоя кремния
Концентрация свободных
носителей в пленке кремния
0.001-1.0 мкм, типичные
значения 400-500 нм
500 5 нм
40 2.5 нм
4 1 нм
(100) или (111)
1014 1020 см-3
Подвижность носителей
в пленке кремния
400-500 см2/Вс
Плотность состояний
на границе раздела Si/SiO2
< 1012 см-2эВ-1
Макродефекты в слое кремния
Напряжение пробоя диэлектрика
толщиной 0.2 0.4 мкм
Разброс толщины слоя кремния
Как в исходном кремнии
200 400 3 нм
Токи утечки на 1 мм2
100 В
Толщина захороненного
диэлектрика
0.1 нА
Атомарно-гладкий интерфейс
На другой микрофотографии показано, что в таком слое электронной литографией вырезан микромостик. Транспорт
носителей заряда в таком мостике характеризуется тем же самым одноэлектронным эффектом, о котором я только что
говорил с наблюдением характерной вольт-амперной зависимости — это уже при температуре жидкого азота.
Вольт-амперные характеристики КНИ-транзисторов.
Документ
Категория
Разное
Просмотров
305
Размер файла
3 934 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа