Глава 7. Полупроводниковые элементы.

Полупроводниковые диоды.

Диоды являются электропреобразовательными полупроводниковыми приборами, имеющими два вывода. Основная масса диодов содержит кристалл полупроводника с одним электрическим переходом и омическими контактами к нему. Существуют диоды, не содержащие электрического перехода (диоды Ганна), а также имеющие два и три перехода p-i-n-диод, диодный тиристор.

Большинство диодов выполняются на основе несимметричного p-n-перехода или переход металл-полупроводник.

Электрический переход можно использовать для реализации различных схемных функций. Например, нелинейность в-а характеристики используется для выпрямления переменного тока, детектирования, преобразования и умножения частоты радиосигналов, формирования импульсов в цифровых устройствах и других целей. Зависимость барьерной емкости от напряжения позволяет применять диод как конденсатор, управляемый напряжением, в устройствах обработки радиосигналов и в параметрических усилителях и генераторах. В принципе с помощью одного и того же диода можно реализовать различные схемные функции, изменяя режим работы. Однако для эффективного выполнения одной заданной функции требуются соответствующие структура перехода и конструкция диода.

Несмотря на то, что диод представляет собой один из простейших полупроводниковых приборов, процессы, происходящие в нем, достаточно сложны.

Вольтамперная характеристика диода.

Вольтамперная характеристика идеализированного диода описывается уравнением:

, (7.3)

где называется тепловым током, поскольку он отражает сильную температурную зависимость, или " обратным током насыщения", происхождение которого связано с тем, что при отрицательно напряжении обратный ток идеализированного диода равен и не зависит от напряжения.

Статическая вольтамперная характеристика идеализированного диода представлена на рис. 7.3.

Одной из важных особенностей характеристики (7.1) является крутая (экспоненциальная) прямая ветвь.

Поэтому большие прямые токи порядка нескольких ампер и выше получаются у полупроводниковых диодов при напряжении не более 1В. В связи с большой крутизной прямой ветви обычно удобнее формулу (3.9а) преобразовать к следующему виду:

(7.4)

Из этой формулы видно, что прямые напряжения у кремниевых диодов значительно больше, чем у германиевых, поскольку тепловой ток у первых на несколько порядков меньше. Различие в прямых напряжениях германиевых и кремниевых диодов составляет обычно В. Поэтому вольтамперные характеристики обоих типов диодов, построенные

Рис.7.3 Рис 7.4

в одинаковом абсолютном масштабе по оси токов, имеют разную форму (рис.7.4): кремниевым диодом свойственен кажущийся сдвиг характеристики по оси напряжений на несколько десятых долей вольта.

Биполярные транзисторы.

Введение.

Транзистором называют полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы разделяют на два основных класса: биполярные и полевые (униполярные).

В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей. Поэтому неотъемлемой составной частью биполярных транзисторов являются -переходы. Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда (электронов и дырок) в работе этого класса транзисторов. В полевых (униполярных) транзисторах используется движение основных носителей заряда.

В данной главе рассматриваются физические процессы в биполярном транзисторе, а также его основные характеристики и параметры. Униполярные транзисторы изучаются в следующей главе.

Биполярный транзистор представляет собой двухпереходный прибор (рис.7.10). Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы и со взаимно противоположными рабочими полярностями.

Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рис. 7.11 (а – транзистор и б – транзистор ).

Рис 7.10

Рис.7.11

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой – эмиттером. Такое название, как и у диодов, отражает факт инжекции неосновных носителей через переход. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой – коллектором. Это название отражает функцию «собирания» инжектированных носителей, прошедших через слой базы. Для того, чтобы такое «собирание» было возможным, база должна иметь достаточно малую толщину ( , где – диффузионная длина неосновных носителей).

У современных транзисторов она обычно не превышает мкм, тогда как диффузионная длина лежит в пределах мкм.

Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база однородная, то движение носителей в ней чисто диффузионное. Если же база неоднородная, то в ней есть внутренне электрическое поле, и тогда движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом.

Транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми (или диффузионными), а с неоднородной – дрейфовыми.

Последние имеют в настоящее время наибольшее распространение в интегральных микросхемах.

Транзистор, показанный на рис 7.11а, характерен тем, что его крайние слои (эмиттер и коллектор) имеют проводимость -типа, а средний слой (база) – проводимость -типа. Транзисторы с такой структурой называют транзисторами. В микроэлектронике главную роль играют транзисторы типа (рис.7.11б), у которых эмиттер и коллектор имеют проводимость -типа, поэтому они и будут основой последующего анализа. По принципу действия они ничем не отличаются от -транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений, а также ряд количественных особенностей.

Основные схемы включения.

Выше подразумевалось, что оба напряжения на эмиттере и коллекторе ( и ) отсчитываются относительно базы, принятой за основной электрод, общий для входной и выходной цепи транзистора.

Рис.7.13

Такое включение транзистора (рис.7.13а), позволяющее строго и наглядно изучить его физические свойства и параметры, называют включением с общей базой и обозначают ОБ.

Установим соотношения между токами для схемы с ОБ. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током.

где α – коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0, 95 до 0, 998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе α к единице. Через коллекторный переход всегда проходит неуправляемый обратный ток коллектора . Таким образом, полный коллекторный ток

(7.17)

Эта схема не обеспечивает усиления по току и обладает малым входным сопротивлением, что делает ее не оптимальной для большинства применений. Однако имеет хорошие частотные и временные характеристики.

Основное применение в схемах находит другое включение - с общим эмиттером (рис.7.12б); обозначают такое включение буквами ОЭ. Коэффициент усиления такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, переменных составляющих токов коллектора и базы.

Преобразуем выражение (7.17) так чтобы выразить зависимость тока от тока базы . Заменим суммой :

Решим это уравнение относительно . Тогда получим

Обозначим

и .

Окончательно получим выражение

Здесь β – коэффициент передачи тока базы в цепь коллектора и составляет десятки единиц, причем, незначительные изменения α приводит к большим изменениям β. Ток - обратный ток коллектора для схемы с ОЭ. Он составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит ток для схемы с ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным напряжением является напряжение U_бэ а выходным – U_кэ. Напряжение на базе не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение на коллекторе достигает единиц, а иногда и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности равным сотням или тысячам. Входное сопротивление составляет от сотен Ом до единиц кОм. Это вытекает из того, что при входном напряжении, равным десятым долям вольта входной ток транзисторов малой и средней мощности составляет десятые доли мА. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора с ОЭ составляет от единиц до десятков килом. Каскад с ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т.е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180⁰. Недостатки данной схемы – худшие частотные и температурные свойства по сравнению с ОБ. Влияние частоты и температуры на параметры транзистора будут показаны далее.

При включении транзистора с общим коллектором коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее. Выходное напряжение повторяет входное. Входное сопротивление составляет десятки килом, что является важным достоинством схемы. выходное сопротивление, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килом или сотни Ом.

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения транзисторов сведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Параметр	Схема ОБ	Схема ОЭ	Схема ОК
K_i коэффициент усиления по току	Немного меньше единицы	Десятки – сотни	Десятки – сотни
K_u коэффициент усиления по напряжению	Десятки – сотни	Десятки – сотни	Немного меньше единицы
K_p коэффициент усиления по мощности	Десятки – сотни	Сотни - десятки	Десятки – сотни
R_вх входное сопротивление	Единицы - десятки Ом	Сотни Ом – единицы кОм	Десятки – сотни кОм
R_вых выходное сопротивление	Сотни Ом – единицы МОм	Единицы - десятки кОм	Сотни – десятки кОм
Фазовый сдвиг		180⁰

Полевые транзисторы.

Введение.

Работа полевых транзисторов основана на использовании только одного типа носителей - основных (электронов или дырок). Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае, не играют принципиальной роли. Основным механизмом движения носителей является дрейф в электрическом поле.

Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно менять либо удельную проводимость полупроводникового слоя, либо его площадь. На практике используется и тот и другой способ, причем в основе обоих способов лежит эффект поля.

Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называется каналом. Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля. Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

Транзисторы с приповерхностным каналом имеют классическую структуру металл-диэлектрик-полупроводник. Их называют МДП-транзисторами. В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния SiO₂), используется название МОП-транзисторы.

Транзисторы с объемным каналом характерны тем, что обедненный слой создается с помощью p-n перехода. Поэтому их часто называют полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Однако это название длинное и неудобное. Поэтому в литературе их просто называют полевыми транзисторами. Исходя из вышесказанного, можно предложить следующую классификацию полевых транзисторов, которая вместе с условными обозначениями представлена на рис. 7.19.

Рис.7.19.

Здесь: И – исток, С – сток, З – затвор. Функциональное назначение этих электродов будет описано ниже.

Рассмотрим основные различия между биполярными и полевыми транзисторами.

- В биполярных транзисторах существенную роль играют два типа носителей заряда: основные и неосновные.

- В биполярном транзисторе управление выходным током осуществляется с помощью входного тока базы или эмиттера. Что неизбежно связано со сравнительно малым входным сопротивлением. В ряде случаев это не является недостатком, а скорее преимуществом. Например, при малом входном сопротивлении всякого рода наводки посторонних напряжений оказываются значительно меньшими, чем при высоком входном сопротивлении. Однако, иногда крайне важно иметь очень большое входное сопротивление. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и на низких частотах переменного тока может быть очень большим: 10¹² – 10¹³ Ом.

- Технология изготовления полевых транзисторов значительно проще, чем биполярных. Особенно важно, что полевые транзисторы в микросхемах занимают значительно меньшую площадь на один транзистор и потребляют гораздо меньший ток. Это позволяет создавать большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС).

- В биполярных транзисторах с увеличением температуры увеличивается число генерируемых неосновных носителей, а, следовательно, возрастает ток. В полевых транзисторах ток зависит от концентрации основных носителей и их подвижности. Концентрация зависит от степени легирования и не зависит от температуры. Вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки с ростом температуры подвижность носителей в канале падает, что приводит к уменьшению тока и крутизны характеристик транзистора. Полевой транзистор в отличие от биполярного транзистора, температурно устойчив, так как повышение температуры вследствие прохождения тока вызывает увеличение сопротивления канала. Наряду с полевыми транзисторами, в которых наблюдается уменьшение стокового тока с ростом температуры, выпускаются полевые транзисторы, у которых ток стока возрастает с повышением температуры, а также транзисторы, имеющие нулевой температурный коэффициент при некотором значении напряжения на затворе. Различный характер температурных характеристик объясняется тем, что изменение температуры влияет не только на подвижность носителей и связанное с этим объемное рассеяние, но и на поверхностное рассеяние в канале, имеющее обратную температурную зависимость. При температурах, близких к абсолютному нулю, кремниевые и германиевые биполярные транзисторы работать не могут, тогда как униполярные транзисторы работают.

Полевые транзисторы – наиболее распространенный сегодня класс транзисторов. На основе кремниевых МОП-транзисторов в настоящее время создаются сложные интегральные схемы: микропроцессоры, цифровые сигнальные процессоры, запоминающие устройства ЭВМ. Полевые транзисторыс барьером Шоттки используются для создания низкошумящих и мощных усилителей в СВЧ технике. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом используются в радиоэлектронике в качестве низко шумящих усилителей с высоким входным сопротивлением, электронных ключей, стабилизаторов тока и как резисторы, управляемые напряжением.

Элементы интегральных схем.

Введение.

Элементами интегральных схем (ИС) называют их неделимые составные части – те, которые нельзя специфицировать и поставлять как отдельные изделия.

Основные особенности элементов ИС:

1) они имеют электрическую связь с общей подложкой, а иногда и друг с другом. Поэтому математические и физические модели (эквивалентные схемы) элементов ИС несколько отличаются от моделей дискретных аналогов;

2) все элементы ИС получаются в едином технологическом процессе. Например, все резисторы пленочной ИС получаются одновременно и, следовательно, характеризуются одинаковой толщиной и одинаковым удельным сопротивлением (разница может быть только в длине и толщине слоя);

3) при изготовлении элементов ИС имеется меньше «степеней свободы», чем при изготовлении их дискретных аналогов. В результате параметры элементов ИС в значительной мере коррелированны (взаимосвязаны) и ограничены, чего нет у дискретных компонентов;

4) появились такие элементы ИС которые не имеют аналогов в дискретной электронике: многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, транзисторы с барьером Шоттки, и другие. Традиционные компоненты – диоды конденсаторы и т.п. изменились конструктивно, изменился диапазон их параметров. В ИС отсутствуют аналоги таких традиционных компонентов, как индуктивности и тем более трансформаторы.

Главными элементами биполярных п/п ИС являются n-p-n транзисторы. Главными элементами МДП- транзисторных ИС являются n-канальные транзисторы.

Глава 7. Полупроводниковые элементы.

7.1. Электрические переходы.

Электрическим переходом называется переходной слой между областями твердого тела с различными типами электропроводности или разными значениями удельной проводимости. Электрические переходы используются практически во всех полупроводниковых приборах и являются их важнейшими структурными элементами. Физические процессы в переходах лежат в основе принципа действия большинства полупроводниковых приборов.

Переход между областями полупроводника с электропроводностью - и типа называют электронно-дырочными или p-n переходами. Чаще всего эти области создают в монокристалле полупроводника, используя различные технологические методы легирования, т.е. контролируемого введения примесей. Параметры и характеристики переходов определяются распределением концентраций примесей и геометрией областей.

Поверхность, разделяющая области с дырочной и электронной проводимостью, называется металлургической границей перехода. Если она плоская, то и p-n-переход называется плоским. В реальных переходах имеются неплоские краевые эффекты, однако, если они слабо влияют на электрические параметры, то p-n-переход считают приближенно плоским и движение носителей заряда, изменение электрического поля и потенциала рассматриваются только вдоль одной координаты х, перпендикулярной металлургической границе.

Переходы между областями с различной концентрацией примесей одного типа называют электронно-электронными (n⁺-n) или дырочно-дырочными (p⁺-p). При этом сильнолегированную область с высокой концентрацией примесей (различие более, чем на порядок) отмечают значком «+» при букве, обозначающей проводимость.

Переходы между различными полупроводниками, отличающимися шириной запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Полупроводники должны иметь близкие кристаллические структуры. Гетеропереходы могут быть типов p-n, n⁺-n и p⁺-p. Гетеропереходы широко применяются в излучающих и фотоэлектрических приборах (светодиоды, фотодиоды и др.). Свойство односторонней инжекции в p-n-гетеропереходах с сильнолегированной базой может быть использовано в биполярных транзисторах. Гетеропереходы между полупроводниками одного типа проводимости применяются для создания полевых сверхвысокочастотных транзисторов и сверхскоростных интегральных схем.

Распространенными являются электрические переходы металл-полупроводник. Они образуются, например, нанесением на тщательно очищенную поверхность полупроводника тонкой металлической пленки. В некоторых приборах используются переходы между металлом и диэлектриком, между диэлектриком и полупроводником.

7.2 Классификация p-n переходов.

Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и по соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся акцепторы с постоянной концентрацией , а по другую – доноры с постоянной концентрацией . Такие переходы наиболее просты для анализа и поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно, рассматривать как ступенчатые.

Плавными переходами называют такие, у которых в районе металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа – растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству примесных концентраций , т.е. лежит в том месте, где полупроводник является компенсированным. Все реальные переходы – плавные, степень их приближения к ступенчатым переходам зависит от градиента эффективной концентрации в районе металлургической границы.

По соотношению концентраций примесей в и слоях переходы делят на симметричные, несимметричные и односторонние.

В симметричных переходах имеет место соотношение , где – концентрация дырок в слое; – концентрация электронов в -слое, т.е. концентрации основных носителей в обоих слоях почти одинаковы. Такие переходы используются сравнительно редко и не являются типичными. Гораздо большее распространение имеют несимметричные переходы, в которых выполняется неравенство или и концентрации различаются в несколько раз и более. Именно такие переходы будут анализироваться в дальнейшем, причем для определенности будет считаться, что слой более низкоомный, чем слой , т.е. . Полученные выводы легко использовать при обратном соотношении концентраций.

В случае резкой асимметрии, называют односторонними и обычно обозначают символами (или ).

7.3 Структура p-n перехода.

Концентрации примесей и свободных носителей в каждом из слоев перехода показаны на рис 7.1а.

– концентрация акцепторной примеси;

– концентрация донорной примеси;

– концентрация дырок в слое;

– концентрация электронов в слое;

– концентрация дырок в слое.

Рис. 7.1

Поскольку здесь концентрация электронов в слое значительно больше, чем в слое , то часть электронов диффундирует из слоя в слой . При этом в слое вблизи границы окажутся избыточные электроны, которые будут рекомбинировать с дырками до тех пор, пока не будет выполнено условие равновесия . Соответственно в этой области уменьшится концентрация свободных дырок и " обнажатся" некомпенсированные отрицательные заряды акцепторных атомов. Слева от металлургической границы " обнажатся" некомпенсированные положительные заряды ионов доноров, поскольку часть электронов перешла отсюда в слой (рис 7.1б). Аналогичные рассуждения действительны для дырок слоя , которые частично диффундируют в слой . Однако в несимметричном переходе, в котором , диффузия дырок в слой малосущественна, поскольку разность концентраций значительно меньше разницы , а именно этими разностями определяются градиенты концентраций и диффузионные токи.

Область образовавшихся пространственных зарядов и есть область перехода. Часто эту область называют обедненным слоем, имея в виду резко пониженную концентрацию подвижных носителей в обеих ее частях.

В большинстве случаев p-n - переход можно идеализировать так, как показано на рис. 7.1в.

Рис.7.2

Переход в целом нейтрален, т.е. положительный заряд в левой части и отрицательный заряд в правой части одинаковы. При этом условии различие в концентрациях акцепторной и донорной примесей неизбежно связано с различием в протяженности обоих зарядов: в слое с меньшей концентрацией примеси (в нашем случае в слое), область объемного заряда должна быть шире. Следовательно, несимметричный переход в основном сосредоточен в высокоомном слое.

Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле, которое направлено так, что оно ограничивает диффузию носителей. В равновесном состоянии диффузионные потоки носителей, обусловленные градиентами концентраций, в любой точке равны дрейфовым потокам тех же носителей, обусловленных градиентом потенциала и направленных навстречу диффузионным потокам.

Рассмотрим переход с точки зрения зонной теории. В отсутствие контакта совокупность и –слоев характеризуется диаграммой на рис 7.2а.

При наличии контакта уровень Ферми должен быть единым, а это приводит к неизбежному искривлению зон, различию электростатических потенциалов и и образованию потенциального барьера (рис 7.2б). При этом основная масса электронов - слоя диффундирует слева направо в область перехода, но не может преодолеть потенциальный барьер и, проникнув в переход на некоторую глубину, " отражается" и возвращается в -слой (рис. 7.2в). Дырки -слоя независимо от энергии беспрепятственно " всплывают" в слой и образуют поток слева направо. Этот поток уравновешивается встречным потоком достаточно энергичных дырок слоя, способных преодолеть барьер. Аналогичная ситуация имеет место по отношению к электронам: электроны слоя свободно " скатываются" в слой. Этот поток уравновешивается потоком наиболее энергичных электронов слоя. Основная масса дырок этого слоя, " пытающаяся" диффундировать в слой, отражается потенциальным барьером (рис.7.2в). Глубина проникновения отражаемых носителей в переходе тем больше, чем выше их энергия.

В области перехода на рис. 7.2б показаны ионизированные атомы доноров слева и акцепторов справа. Как известно, уровни этих ионов расположены вдоль всего соответствующего слоя, но на рис.7.2б они показаны только в пределах перехода, чтобы подчеркнуть, что заряд ионов на этих участках не скомпенсирован. Действительно, расстояние между дном зоны проводимости и уровнем Ферми увеличивается вправо, а значит, на участке p-n перехода быстро убывает вероятность заполнения этой зоны электронами и концентрация электронов резко падает. Аналогично обстоит дело и по отношению к акцепторным ионам. Очевидно, что ионы, показанные на рис. 7.2б соответствуют ионам, образующим пространственный заряд на рис. 7.1.

Высота потенциального перехода в равновесном состоянии определяется как разность электростатических потенциалов в n-и p-слоях и равна

(7.1)

где - температурный потенциал ( K – постоянная Больцмана, q- заряд электрона).

Ширина обедненного слоя в n-и p-областях неодинакова, и односторонний переход практически целиком расположен в слое с меньшей концентрацией примеси. Для ширина p-n перехода для равновесного состояния определяется как

. (7.2)

Полупроводниковые диоды.

Большинство диодов выполняются на основе несимметричного p-n-перехода или переход металл-полупроводник.

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒