11.12. Полевые транзисторы

Общим для рассмотреных p-n-переходов и транзисторов является то, что прохождение тока в них сопровождается участием носителей обоих знаков (электронов и дырок). В связи с этим их часто называют биполярными приборами.

На их работе сказываются явления накопле­ния и рассасывания носителей в базе прибора, что делает их инерци­онными и ухудшает быстродействие. Такие процессы, как появление полочки в обратном токе p-n-перехода, затягивание импульса прямо­го тока в p-n-переходах и транзисторах, являются неизбежным след­ствием биполярности протекающих в них явлений.

Стремление улуч­шить высокочастотные свойства p-n-переходов уже ярко проявилось в работе по созданию диодов на горячих носителях (диодов Шоттки), которые работают на носителях одного знака, т.е. являются по своей сути униполярными приборами. Естественно, что разработчики тран­зисторов также приложили немало усилий для создания униполяр­ных транзисторов.

В этом параграфе рассмотрим конструкции, прин­ципы действия и характеристики униполярных транзисторов.

Обще­принятым для таких приборов является название «полевые транзи­сторы», так как управление протекающими в них процессами осуществляется изменением потенциала управляющих электродов.

Т

Рис. 11.23. Транзи­стор с управляемым за­твором

ранзисторы с управляющим затвором. На рис. 11.23 приведена принципиальная схема транзистора с управляемым затвором.

Осно­вой прибора является брусок л-германия (база прибора). При вплавлении в область базы акцепторной примеси в ней создается p-n-пере­ход. Этот прибор с одним p-n-переходом по сути является транзисто­ром, так как обладает усилительными свойствами.

При работе транзистора к омическим выводам базы подается на­пряжение от источника питания , что вы­зывает ток в базовой цепи, включающей в себя и сопротивление нагрузки . P-n-переход включается в обратном направлении, что при­водит к изменению лежащей в области базы обедненной области (пунктир на рис. 11.23), и ток базы течет по более узкому сечению бруска. Поле в области p-n-перехода таково, что ос­новные носители (электроны) не могут прони­кать через p-n-переход. В обедненном слое практически отсутствуют свободные носители заряда, поэтому ток базы может протекать не по всему сечению пластины, а лишь по прово­дящему слою (каналу), заключенному между обедненной областью и раем базы.

При достаточно высоком обратном напряжении обед­енная область может занимать все сечение пластины, ток через нее будет определяться только токами утечки. Это напряжение называют напряжением отсечки или пороговым напряжением.

Таким образом, p-n-переход в этом приборе играет роль затвора, управляемого внешним напряжением (отсюда и название прибора).

Если менять напряжение на затворе, то будет меняться эффективное сечение пластины и появится переменное выходное напряжение, усилительные свойства такого транзистора будут определяться глубиной модуляции сечения бруска, поэтому необходимо, чтобы ширина бруска была приблизительно равной ширине обедненной области p-n-перехода. Кроме того, сопротивление бруска должно быть достаточно большим, что необходимо для обеспечения больших значений ????. Как видно из рис. 11.23, ширина канала в верхней его части меньше, так как напряжение, приложенное к p-n-переходу, складывается с напряжением базы.

Определим вид вольт-амперных характеристик транзистора с управляемым затвором. Поле в бруске рассчитывают по уравнению Пуассона:

.

Плотность электронного тока при этом

(так как в канале ).

Интегрирование дает

; ,

или

.

Интегрируем еще раз:

.

Плотность электронного тока при этом

,

сила тока

.

Выполненный расчет не учитывает того, что почти все напряже­ние падает на коротком участке верхней части канала.

В сильных по­лях подвижность электронов уменьшается пропорционально; с уче­том этого .

Рассмотрим семейство выходных (стоковых) ВАХ транзистора с управляемым затвором. При подаче на базовые контакты напряже­ния в выходной цепи появляется ток. Если бы с ростом этого напря­жения проводимость канала не изменялась, то выходная ВАХ была бы просто прямой (закон Ома).

В действительности базовый ток вы­зывает падение напряжения в канале, область объемного заряда рас­ширяется, сечение канала уменьшается, уменьшается и проводи­мость канала.

Таким образом, увеличение базового напряжения при­водит к возрастанию выходного тока до величины, при которой запи­рающее напряжение на p-n-переходе начинает ограничивать рост тока.

С некоторого напряжения (напряжения отсечки) выходной ток достигает насыщения.

При увеличении напряжения на затворе ограничение выходного тока происходит при меньшем напряжении базы. Начальный участок ВАХ будет иметь меньший наклон.

Область семейства ВАХ, где вы­ходной ток растет с ростом напряжения базы, называют крутой.

Ме­рой крутизны является величина

.

Там, где выходной ток меняется незначительно, лежит пологая область. При дальнейшем росте н

Рис. 11.24. Выходная характеристика транзистора с управляемым затвором

апряжения базы происходит пробой (рис. 11.24).

Сущность работы транзистора не меняется, если управляемые за­творы вплавлены с обеих сторон базы.

Одна из таких конструкций, называемая текнетроном, показана на рис. 11.25.

Рис. 11.25. Текнетрон

При изготовлении текнетрона используют круглый стерженек германия с сильно леги­рованными концами и высокоомной средней частью. Стержень укре­пляется на вращающейся подставке и подвергается в средней части сначала струйному травлению, а затем высаживанию в канавку ин­дия.

Преимуществами текнетрона являются малые последовательные сопротивления за счет сильного легирования концевых частей, ма­лые начальная толщина канала и емкость входного перехода, высокая крутизна и хорошие частотные свойства.

Прибор рабо­тает на частотах порядка нескольких сотен мегагерц.

В конструкции алькатрона (рис. 11.26) прослеживается тенден­ция устранения недостатков текнетрона. Малая длина канала приво­дит к тому, что область повышенного сопротивления занимает малый объем. На нем рассеивается практически вся мощность, поэтому мощность текнетрона невысока.

В конструкции алькатрона два затвора: нижний дисковый задает начальную толщину канала, а верхний кольцевой электрод является сигнальным.

Диаметр прибора – до 3 мм.

Его примерные данные: крутизна , напряжение базы 50 В, ток базы ; смещение на дисковом затворе 15 В, на сигнальном – 6 В; рабочие частоты — в пределах 50...150 МГц.

Транзисторы с изолированным затвором. Это полупроводниковые приборы, в которых металлический затвор электрически изолирован слоем диэлектрика от канала, образующегося на поверхности полу­проводника (рис. 11.27).

Назначения электродов, показанных на этом рисунке, таковы: исток (И) – полупроводниковая область, от которой основные носители начинают свое движение в канале; сток (С) – полупроводниковая область, к которой движутся основные но­сители через канал; канал (К) – полупроводниковая область управ­ляемой проводимости, по которой протекает ток полевого транзисто­ра; затвор (З) – металлическая пластина, использующаяся для управления величиной тока в канале; подложка (П) – диэлектриче­ский слой, на который наносится металлический затвор.

В качестве подложки часто используют кремний, который после окисления пре­вращается в диэлектрический слой SiO₂. В связи с этим транзисторы с изолированными затвором часто называют МОП-структурами (ме­талл-оксид-полупроводник) или в зарубежных работах МОS-структурами (metal-oxide-semiconductor).

В качестве диэлектрических под­ложек используют также сапфир, Si₃N₄, А1₂O₅ и др. Для таких транзи­сторов употребительно название МДП-структуры.

В качестве метал­ла в затворе часто используют алюминий.

На границе раздела Si и SiO₅ обычно образуются донорные уров­ни, приповерхностный слой обогащается электронами (рис. 11.28).

Рис. 11.28. Изгиб зон у по­верхности в МДП-транзисторе

Энергетические уровни у поверхности изгибаются вниз, в припо­верхностном слое возникает электрическое поле.

Если затвор соединить накоротко с истоком и подключить в цепь источник питания, то в цепи стока будет протекать малый ток, обу­словленный токами утечки (один из p-n-переходов всегда будет вклю­чен в обратном направлении).

Если же на затвор подать отрицатель­ное напряжение, то в приповерхностном слое можно индуцировать канал p-типа, который накоротко замкнет цепь исток–сток, что приведет к возникновению в ней тока. Напряжение затвора, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением .

При ток стока растет (сток-затворная характеристика прибора показана на рис. 11.29), но этот рост идет не за счет расширения канала, а в результате роста концентрации дырок в канале.

Рис. 11.29. Сток-затворная характери­стика МДП-транзистора с индуцирован­ным каналом

Типичные размеры транзисторов с индуцированным каналом таковы: толщина подложки , толщина канала Ǻ, длина канала , толщина затвора Ǻ, толщина SiO₂ Ǻ.

Разновидностью транзистора с изолированным затвором являет­ся транзистор со встроенным каналом, который отличается от вышеприведенного тем, что инверсный проводящий слой под затвором получают либо диффузией примесей в подложке, либо он образуется за счет поверхностных уровней, способствующих созданию инверс­ного слоя. У транзистора со встроенным каналом ток стока течет даже три нулевом смещении на затворе. При положительном смещении, называемом напряжением отсечки , канал исчезает, ток стока ста­новится равным нулю (рис. 11.30).

Рис. 11.30. Сток-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом

В обоих типах транзисторов изменение заряда подвижных носи­телей в канале обусловлено не только влиянием поверхностных со­стояний, но и действием контактной разности потенциалов, которая появляется из-за разности работ выхода металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому и пороговое напряжение, и напряжение отсеч­ки зависят от материала затвора.

Проводимостью канала, а, следовательно, и величиной тока стока можно управлять также напряжением смещения на подложке. При заботе транзистора между каналом и объемом подложки образуется p-n-переход. С изменением напряжения на подложке изменяется ширина p-n-перехода, что приводит к расширению или сужению канала и изменению тока стока. Подложка действует подобно полевому транзистору с управляемым переходом (ее иногда называют нижним затвором). Токи утечки у таких затворов могут быть довольно боль­шими из-за их площади.

Отметим некоторые преимущества полевых транзисторов перед другими типами полупроводниковых приборов:

1) высокие входные сопротивления при низком уровне шумов, что находит применение во входных цепях. Входное сопротивление транзистора со сплавным или диффузионным затвором будет ограничено сопротивлением за­пертого перехода;

2) оба типа транзисторов работают только при од­ной полярности напряжения на затворе с той разницей, что каналь­ный транзистор работает на запирание, а транзистор с изолирован­ным затвором — на отпирание затвора;

3) изменение полярности на­пряжения принципиально не меняет процессов в транзисторе с изолированным затвором. Для канального транзистора перемена по­лярности означает отпирание транзистора и резкое ведение входного сопротивления;

4) слабая чувствительность полевых транзисторов к воздействию радиации, наличию дефектов структуры, поскольку все они работают на основных носителях.

Сравнивая характеристики полевых транзисторов различной структуры, можно отметить, что транзисторы с n-каналом обладают более высоким быстродействием из-за большей подвижности элек­тронов.

Различаются также и пороговые напряжения – у транзисто­ров с n-каналом , с p-каналом .

Из всех транзисторов только транзистор с индуцированным каналом при ну­левом смещении на затворе не проводит ток. Это позволяет строить схемы, в которых для запирания транзистора не требуются дополни­тельные источники смещения.

Транзистор со встроенным каналом может проводить ток как при положительном смещении, так и при отрицательном. Для его запирания требуется положительное смеще­ние в случае канала с p-проводимостью и отрицательное – в случае n-канала.

Возможность управления потенциалом любой полярности позволяет в ряде случаев существенно упростить схемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создание приборов и устройств твердотельной электроники яв­ляется непрерывным творческим процессом, использующим высшие достижения фундаментальных и прикладных наук.

В то же время не­избежно возникающие новые проблемы требуют свежих решений, разработки качественно новых принципов изготовления электрон­ных схем, исходящих в первую очередь из необходимости их микро­миниатюризации, снижения потребляемых мощностей и повышения надежности.

Путь к решению этих задач был найден в отказе от ис­пользования дискретных радиодеталей и в переходе к изготовлению целых схем в микрообъемах полупроводникового монокристалла, получивших название интегральных схем (ИС).

Родилось и успешно развивается новое направление твердотельной электроники — мик­роэлектроника.

Уже сейчас в одном кристалле воплощаются слож­нейшие электронные устройства — часы, микрокалькуляторы, мо­бильные телефоны, микропроцессоры, микроЭВМ.

Типичный кри­сталл-компьютер таких ЭВМ имеет размеры и содержит около 5000 транзисторов.

При этом традиционные для электроники элементы заменяют на разработанные в классической твердотельной электронике устройства. Например, в качестве резисторов использу­ются базовые области транзисторов, емкости p-n-переходов и транзи­сторных структур выполняют в ИС роль конденсаторов, полевые транзисторы работают и как активные элементы, и как нагрузочные резисторы и т. д.

В ИС структур типа МДП с одинаковым типом про­водимости канала не требуется традиционной изоляции элементов.

Размеры полевых транзисторов на порядок меньше размеров бипо­лярных, что позволяет достигать неизмеримо большей плотности упаковки, т.е. числа активных элементов в единице объема ИС.

Рост плотности упаковки естественно связан и с уменьшением размеров элементов ИС, что в свою очередь повышает их быстродействие и уменьшает потребляемую мощность.

Число элементов в ИС, или сте­пень интеграции, по сравнению, скажем, с серединой прошлого века увеличилось примерно в раз.

Разработаны схемы большого уровня интеграции (БИСы) и сверхбольшого уровня (СБИСы) [13, 14].

Столь впечатляющие успехи микроэлектроники были бы невоз­можны без разработки качественно новых технологий изготовления электронных изделий. Их активные, пассивные и соединительные элементы создаются в микрообъемах полупроводникового кристалла или на поверхности диэлектрических подложек в едином технологи­ческом процессе с выведением всех элементов на одну плоскость (планарная технология).

Входящие в ИС элементы (диоды, транзи­сторы, конденсаторы, резисторы и др.) не имеют внешних выводов и не могут рассматриваться как отдельные приборы.

Схема в целом имеет общую герметизацию от механических воздействий и защиту от влияния окружающей среды.

Процесс изготовления ИС включает следующие основные техно­логические операции:

1) окисление монокристаллической пластины кремния. Пленка двуокиси кремния SiO₂ является прекрасным ди­электриком, практически непроницаемым для многих легирующих примесей, используемых при изготовления элементов ИС;

2) про­цесс фотолитографии, при котором на слой SiO₂ наносится тонкий слой фоторезиста (лака), чувствительного к ультрафиолетовому све­ту. После сушки лака к нему в специальной установке прижимается фотошаблон с негативным изображением того рисунка, который не­обходимо перенести на поверхность кремния. После засвечивания УФ незакрытые участки фоторезиста снимаются травителем, вскры­вая «окна» оксида, которые удаляются другим травителем, обнажая поверхность кремния. После снятия оставшегося фоторезиста рису­нок фотошаблона остается в оксидной пленке в виде вскрытых в ней окон и областей, закрытых островками SiO₂;

3) через вскрытые окна проводится локальная диффузия легирующих примесей, в результате которой лежащим под ними слоям кремния придают необходимые электрофизические свойства (тип проводимости, концентрация но­сителей и т. п.).

Н

Рис. 3.1. Структура биполярного транзистора

а рис. 3.1 показана структура биполярного транзистора полу­проводниковой ИС, изготовленной при последовательном чередова­нии упомянутых процессов.

На одной подложке диаметром 100 мм и более одновременно изготовляются до нескольких тысяч ИС, кото­рые затем расщепляются на отдельные кристаллы (чипы). После их проверки ИС монтируются в корпуса.

Улучшения параметров полупроводниковых ИС добиваются ис­пользованием для изготовления пассивных элементов (резисторов, конденсаторов) пленочной технологии.

Следующим шагом в разви­тии микроэлектроники стало создание гибридных интегральных схем (ГИС), в которых на диэлектрическую подложку наносят сначала пассивные элементы и коммутационные соединения, а затем монтируют навесные элементы – диоды, транзисторы и др. Это позволяет создавать широкие классы цифровых и аналоговых ИС в сравнитель­но коротком цикле их разработки.

В настоящее время обсуждаются дальнейшие пути развития микроэлектроники. Это увеличение площади кристалла и уменьшение топологического размера элементов ИС. Первый путь малоэффекти­вен, ибо растет вероятность появления дефектов кристалла.

Уменьшение размеров элементов ИС требует решения сложнейших теоре­тических и технологических проблем. Экспериментально установлено, что свойства твердого тела как объемного вещества сохраняются в пленках толщиной десятки нанометров. Кубик кремния с таким ребром содержит примерно атомов, но достичь высококачественных элементов ИС с такими размерами невозможно из-за интенсивного электропереноса металла, сопровождающегося разрушением металлизации, увеличением вероятности туннельного пробоя и др.

Иссле­дования показали, что верхним пределом плотности упаковки бипополярных транзисторов следует считать величину .

Дальнейшее уменьшение размеров ИС возможно лишь при разработке принципиально новых технологических схем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. – М.: Советское радио, 1971.

2. Спиридонов О.П. Универсальные физические постоянные. – М : Выс­шая школа, 1991.

3. Тарасов Л.В. Основы квантовой механики. – М: Высшая школа, 1978.

4. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1977.

5. Павлов П.В., Хохлов В.К. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 2000.

6. Больцман Л. Статьи и речи. – М.: Наука, 1970.

7. Косяченко Л.А., Кокин СМ. и др. Физика твердого тела/Под ред. И. К. Верещагина. – М.: Высшая школа, 2001.

8. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. – М: Высшая школа, 1986.

9. Ржаное А.Е. Электронные процессы на поверхности полупроводни­ков. – М.: Наука, 1971.

10. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. – М.: Советское радио, 1969.

11. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Энергия, 1984.

12. Пасынков В.В., Чирков А.К. Полупроводниковые приборы. – М.: Высшая школа, 1986.

13. Ефимов И.Е. Современная микроэлектроника. – М.: Советское радио,1973.

14. Фомин A.B., Боченков Ю.И., Соропуд В.А. Технология, надежность и автоматизация производства БГИС и микросборок. – М.: Радио и связь, 1981.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие……………………………………………………...............................3

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА………………………………...4

1.Элементы квантовой механики………………...………………………………4

1. Основы квантовой механики……………………………………………………4

2. Электрон в потенциальной яме…………………………………………………6

3. Взаимодействие микрочастиц с потенциальным барьером…………………10

4. Краткие выводы………………………………………………………………...13

2.Типы сил связи. Внутренняя структура кристаллов………………………17

1. Силы связи...……………………………………………………………………17

2. Кристаллическая решетка. Индексы Миллера……………………………….23

3.Зонная теория твердых тел……….……………………………………………27

1. Образование энергетических зон в кристалле при сближении атомов …….27

2. Внутренняя структура разрешенных энергетических зон …………………..29

3. Зонная структура диэлектриков, металлов и полупроводников…………….30

4. Зонные структуры донорных и акцепторных полупроводников……………33

5. Модель Кронига—Пенни ……………………………………………………..38

6. Эффективная масса электрона………………………………………...………42

4.Статистика электронов в полупроводниках………………...………………48

1. Неразличимость микрочастиц. Фермионы и бозоны…………………...……48

1. Вырожденные и невырожденные коллективы. Классическая и квантовая статистики………………………………………………………………49

2. Квантование фазового пространства. Плотность числа состояний микрочастиц в пространстве импульсов и энергий………………………..……50

2. Критерий невырожденности идеального газа…………………………..…...51

3. Способы описания ……………………………………………………………..52

4. Распределение Максвелла—Больцмана………………………………………54

5. Распределение Ферми—Дирака……………………………………………….57

6. Распределение Бозе—Эйнштейна……………………………………………..61

3. Зависимость концентрации электронов от температуры в собственных полупроводниках …………………………………………………………………..62

1. Зависимость концентрации носителей от температуры в примесных полупроводниках …………………………………………………………………..64

5.Тепловые колебания решетки…………………………………………...……74

1. Нормальные колебания, возникающие в цепочке одинаковых атомов…….74

2. Колебания в линейной цепочке неоднородных атомов………………...……76

3. Распределение нормальных колебаний по частотам……………………...…78

4. Расчет характеристик фононного газа………………………………………...80

6. Электропроводность твердых тел……………………………………………84

1. Причины появления электрического сопротивления………………………..84

2. Кинетическое уравнение Больцмана………………………………………….86

3. Время релаксации. Длина свободного пробега………………………………88

4. Проводимость невырожденного и вырожденного электронных газов …….89

5. Температурная зависимость подвижности носителей……………………….91

6. Температурная зависимость проводимости металлов и полупроводников.93

7. Сверхпроводимость ……………………………………………………………96

7.Неравновесные явления в полупроводниках………………………...........104

1. Равновесные носители………………………………………………………..104

2. Генерация неравновесных носителей………………………………………..105

3. Излучательная и безызлучательная рекомбинации ………………………..108

8.Поверхностные явления в полупроводниках…….……………………......111

1. Поверхностные состояния …………………………………………………....111

2. Поверхностная проводимость………………………………………………..113

ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ОСНОВЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ……..117

9.Контактные явления………………………………………………………….117

1. Эмиссия электронов. Полная и термодинамическая работа выхода………117

2. Контакт двух металлов. Контактная разность потенциалов……………….120

3. Контакт металл — полупроводник…………………………………………..122

10.P-n-переход………………………………………………………………….…128

1. P-n-переход, равновесное состояние……………………………………….128

2. Токи, текущие через p-n-переход…………………………………………...131

3. P-n-переход во внешнем электрическом поле……………………………..133

4. Инжекция и экстракция неосновных носителей. Диффузионная ем- кость p-n-перехода ………………………………………………………………..138

1. Импульсные свойства p-n-перехода…………………………………...…...141

2. Частотные свойства p-n-перехода и его эквивалентная схема …...………144

3. Пробой p-n-перехода………………………………………………………...150