Самостійна робота 19

Перехід "P-n"- вольт-амперна характеристика напівпровідника

Вольт-ампе́рною характери́стикою, скорочено ВАХ матеріалу чи пристрою називається залежність струму в ньому від прикладеноїнапруги.

Вольт-амперну характеристику можна визначити також, як залежність падіння напруги на пристрої від струму, що в ньому протікає.

Вольт-амперна характеристика зображається зазвичай у вигляді графіка, в якому напруга відкладається вздовж осі абсцис, а струм вздовж осі ординат.

Для матеріалів вольт-амперна характеристика часто приводиться у вигляді залежності густини струму від напруженості прикладеного поля.

Для багатьох матеріалів, зокрема для провідників і напівпровідників, вольт-амперна характеристика має лінійну ділянку при малих напругах. В цьому діапазоні прикладеної напруги справедливий закон Ома, який стверджує, що струм пропорційний напрузі. При виконанні закону Ома струм у пристрої протікає одинаково в обидва боки, в залежності від полярності прикладеної напруги.

Проте така поведінка не має універсального характеру. Наприклад, струм у вакуумному діоді суттєво нелінійний навіть при дуже малих напругах між анодом і катодом. Це явище зумовлене тим, що випромінені нагрітим катодом елекрони створюють у просторі між анодом і катодом негативно-заряджену хмару, яка перешкоджає новим електронам покидати катод. У таких випадках говорять про виникнення області просторового заряду, і залежність струму від напруги описується законом Чайлда. Аналогічні області просторового заряду виникають також у діелектриках, провідність яких у дуже сильних електричних полях зумовлена інжектованими електронами.

Контакт між металом і напівпровідником (контакт Шоткі) має ректифікаційну або випрямну властивість. Сила струму через такий контакт залежить від полярності прикладеної напруги. Контакт добре пропускає струм в один бік, але набагато гірше в інший бік. Аналогічну випрямну властивість має p-n перехід, який виникає при контакті областей із надлишком донорів і акцепторів у напівпровіднику.

Здебільшого струм зростає при зростанні прикладеної напруги. Але й це не є універсальним законом. Наприклад, пристрій, який називається резонансним тунельним діодом, пропускає лише електрони з певною визначеню енергією. Таких електронів мало й при малих напругах, і при великих напругах. Тому при збільшенні напруги струм через резонансний тунельний діод спочатку зростає, а потім, коли електрони мають надто велику енергію, падає. Ділянки ВАХ, на яких струм спадає із підвищенням напруги, називаються областями негативної диференційної провідності. Вони дуже цікаві для практичного використання, бо на них можна побудувати, наприклад, генераториавтоколивань. Негативну диференційну провідність при високих напругах мають також деякі напівпровідники.

Існують також пристрої, в яких при одинакові прикладеній напрузі можуть протікати різні струми, в залежності від передісторії.

Самостійна робота 20

Типові інтегральні структури

Напівпровідникові ІМС можуть бути на біполярних та МДН – структурах, на яких виготовляють транзистори, діоди, резистори, ємності і такі елементи, які неможливо отримати на дискретних структурах: багатоемітерні транзистори, аналоги індуктивності тощо.

Структури, схема заміщення і основні параметри інтегральних біполярних транзисторів

В НП ІМС застосовують інтегральні n-p-n транзистори, типову структуру яких та їх схему заміщення наведено на рис. 4.1. Транзистор має вертикальну структуру. Його розміщують у “кишені”, яку утворюють зворотно-зміщеним p-n переходом, який має горизонтальну частину та дві бокові. Колекторну область утворюють під час епітаксіального нарощування шару силіцію з електропровідністю n-типу на підкладку p-типу. Базову та емітерну області утворюють дифузією домішок. Невипрямний (омічний) контакт виводів К та Е з областями колектора та емітера забезпечують утворенням в області виводів К та Е зони підвищеної концентрації електронів n⁺. Для контакта вивода Б з областю бази утворюють область підвищеної концентрації дірок p⁺.

а б

Рис. 4.1. Інтегральний біполярний транзистор

а - структура; б - схема заміщення

До недоліків такої структури належать:

1. Застосування ізоляційного p-n переходу призводить до існування струмів витоку (завдяки неідеальності p-n переходу), небажаної ємності і до низької допустимої робочої напруги колектора (завдяки низькій напрузі пробою ізоляційного p-n переходу).

2. Інтегральний транзистор буде мати трипереходну структуру n⁺- p-n-p, де крім основного n⁺- p-n транзистора VТ₀ буде існувати і небажаний p-n-p транзистор VТ_Н, емітерним переходом якого є перехід база – колектор основного транзистора, а колекторним переходом є перехід між колектором основного транзистора та НП-пластиною (ізоляційний p-n перехід).

Для ослаблення впливу небажаного транзистора зменшують його коефіцієнт передавання струму бази до 1...2. Для цього його базу, яка є колекторною областю основного транзистора, збільшують відносно бази основного транзистора і легують золотом. Це зменшує час життя і дифузійну довжину носіїв заряду, а також максимальну частоту.

1. Для забезпечення міжтранзисторних з’єднань виводи всіх областей (Е, К, Б) транзистора розміщують на поверхні підкладки в одній площині. Це збільшує опір струму колектора порівняно з дискретним транзистором, завдяки збільшенню шляху його проходження. Крім того, планарний дифузійний транзистор має нерівномірний розподіл концентрації домішок у області колектора, що зростає з глибиною. Це також збільшує опір колекторної області. Опір колекторної області (рис. 4.2) досягає 70 ... 100 Ом.

Рис. 4.2. Шляхи проходження колекторного струму (пунктир):

а – в інтегральному транзисторі, б – в дискретному транзисторі

Великий опір колекторної області інтегрального транзистора зменшує струм І_{К ,} обмежує його частотний діапазон, знижує швидкодію, збільшує вплив небажаного транзистора.

Зменшити опір колекторної області можна було б підвищенням в ній концентрації рухомих носіїв заряду, але це призведе до збільшення ємності колекторного переходу і зниження напруги пробою переходу колектор-база.

Тому для зменшення опору в колекторній області транзистора розміщують додатковий n⁺-шар підвищеної провідності (низькоомний шар). Його утворюють під колекторною областю в n-підкладці перед нарощуванням епітаксіального шару і називають прихованим шаром. Він шунтує частину колекторної області, зменшуючи її опір, послаблює вплив небажаного транзистора, збільшує І_К і не зменшує допустиму напругу пробою колекторного переходу, оскільки зменшується опір тільки частини колекторної області, а значення напруги пробою буде визначатися невеликою довжиною високоомної частини колекторної області біля колекторного переходу.

Для покращення частотних властивостей біполярних транзисторів:

• зменшують небажану ємність;

• покращують ізоляцію колектора від підкладки, використовуючи діелектрики замість ізоляції p-n-переходом;

• зменшують розподілений опір бази r_б шляхом застосування виводу бази у виді напівкільця (рис. 4.3. );

• шунтують колекторний перехід діодом Шотткі, який має у відкритому стані падіння напруги вдвічі менше, ніж на p-n-переході, що обмежує ступінь насичення транзистора і тому підвищує швидкодію (зменшується час розсмоктування).

Рис. 4.3. Структура планарного інтегрального транзистора (вид зверху):

К - вивід колектора; Б - вивід бази; Е - вивід емітера; П - вивід пластини

Параметри типових інтегральних транзисторів приведено в табл. 4.1.

Таблиця 4.1.

Параметр	Значення параметру
Коефіцієнт передавання струму бази, Межова частота, fм, ГГц Напруга пробою UКБ, В Напруга пробою UЕБ, В Напруга пробою UКЕ, В Максимальний струм колектора, Ік max, мА Ємність колектор-підкладка, пФ	100150 0,251 4060 69 2030 10750 0,88

Вдосконалення технології дозволяє постійно покращувати функціональні параметри інтегральних транзисторів: збільшувати коефіцієнт передавання, розширювати частотні властивості, збільшувати швидкодію, зменшувати розміри.

Досягненням інтегральної технології є створення біполярних транзисторів з тонкою базою (менш ніж 2,5 мкм), що дозволило підвищити коефіцієнт передавання стуму бази до 1000  5000. Такі транзистори отримали назву супер-. Недоліком їх є низька допустима напруга (до 2 В), за підвищення якої переходи змикаються і виникає пробій бази.

Для того, щоб використати переваги супер- транзистора, n-p-n- структури його виготовляють у парі з p-n-p транзистором. Така транзисторна пара має дуже високий коефіцієнт передавання струму бази, а напругу пробою не нижчу напруги пробою обох транзисторів.

Важливою перевагою інтегральних транзисторів є ідентичність параметрів завдяки тому, що їх виготовляють на одній пластині та в єдиному технологічному циклі (значення коефіцієнту передавання струму бази інтегральних транзисторів відхилюється на одиниці відсотків, а у дискретних – в 2…3 рази). Ця властивість має важливе практичне значення, оскільки, по-перше, дозволяє виготовляти ІМС з кращими параметрами, ніж у пристроях на дискретних елементах, а по-друге, спрощувати схеми пристроїв на ІМС завдяки необов’язковості застосування елементів, які у пристроях на дискретних елементах використовують для зменшення впливу розкиду параметрів.

Вольт-амперні характеристики (ВАХ) інтегральних транзисторів мало відрізняються від ВАХ дискретних біполярних транзисторів і визначаються аналогічними параметрами.