4.2 Основы построения логических элементов

Базовые типы логических элементов:

элементы диодно-транзисторной логики;

резистивно-транзисторной логики;

транзисторно-транзисторной логики;

эмиттерно-связанной логики;

элементы на комплементарных МДП-структурах.

В основе построения полупроводниковых приборов лежат свойства и характеристики электронно-дырочного перехода.

4.2.1 Образование и свойства электронно-дырочного перехода

О сновой построения логических элементов являются полупроводниковые структуры. Электрические свойства такой структуры определяются в первую очередь степенью связи носителей заряда с атомами в кристаллической решетке. В полупроводниковой технике чаше всего используют четырехвалентные германий и кремний — вещества кристаллической структуры с ковалентными межатомными связями, при которых каждый атом связан с соседними посредством восьми обобщенных электронов. Это обстоятельство схематически отображено на рисунке 4.7 а), где двойными линиями показаны связи между соседними атомами в кристаллической решетке, большими кружками обозначены четырехвалентные атомы, а малыми кружками с горизонтальной чертой — электроны.

Рисунок 4.7 – Схематическое изображение кристаллической структуры с ковалентными межатомными связями (а) и нарушения ее электрической нейтральности (б)

Такая связь весьма устойчива, и для ее разрыва требуется затратить определенную энергию. При разрывах ковалентных связей в полупроводнике появляются свободные носители заряда – электроны и дырки, которые совершают хаотическое (тепловое) движение в кристалле.

Появление дырок в полупроводнике и их перемещение в нем связаны с возбуждением валентных электронов, когда в результате поглощения энергии один из валентных электронов освобождается от связи с атомом, становясь подвижным носителем заряда. Нарушение электрической нейтральности в месте разрыва валентной связи эквивалентно появлению там элементарного положительного заряда. Образовавшаяся вакантная связь может быть заполнена электроном из соседней связи (рис. 4.7 б), так как такой переход не связан с большими энергетическими затратами (все валентные электроны в решетке взаимодействуют со своими атомами примерно в одинаковой степени). Перемещение электрона из одной связи в другую эквивалентно непрерывному перемещению подвижного положительного заряда — дырки.

Процесс возникновения свободных носителей заряда носит название генерации. В процессе хаотического движения носители могут заполнять освободившиеся ранее связи, тогда происходит исчезновение двух носителей заряда — электрона и дырки-рекомбинация. Среднее число актов генерации и актов рекомбинации в единицу времени при постоянной температуре одинаково, поэтому среднее число дырок и электронов в кристалле при данной температуре является вполне определенным. При этом кристалл в целом электрически нейтрален.

Если к кристаллу приложить напряжение, то в образовавшемся электрическом поле у электронов и дырок появляется составляющая дрейфовой скорости по силовым линиям. Электроны перемещаются к положительному полюсу, а дырки – к отрицательному. При этом полный ток равен сумме электронной и дырочной составляющих.

Если в рассматриваемый кристалл с ковалентными связями внести примеси элементов III или V группы периодической системы Менделеева, то относительное количество электронов и дырок изменится. Процесс внесения примесей часто называют легированием.

Атомы примеси элемента V группы называют донорами. В некоторых узлах кристаллической решетки доноры замещают атомы основного вещества (рис. 4.8 а). Четыре валентных электрона донора связываются в кристаллической решетке с соседними атомами, а пятый электрон, оставшийся неиспользованным, оказывается слабо связанным с атомом донора (лишь силами кулоновского притяжения). При этом обеспечивается электрическая нейтральность атома.

^{n-типа p-типа}

Рисунок 4.8 – Схематическое изображение замещения атомов основного вещества: а) донорами; б) акцепторами

Для отрыва указанного электрона от атома достаточно затратить небольшую энергию. Поэтому уже при комнатной температуре пятые электроны доноров оказываются свободными и могут участвовать в создании тока через кристалл. Атомы примеси, лишенные одного электрона, превращаются в положительные ионы, расположенные в узлах кристаллической решетки. Следует особо отмстить, что появление свободного электрона в данном случае не связано с появлением дырки, т. е. в кристалле с пятивалентной примесью ток будет иметь в основном электронную составляющую. По этой причине полупроводник с донорной примесью называют электронным, или полупроводником п-типа. В полупроводнике n-типа также имеется и дырочная составляющая, но она значительно меньше электронной. Наличие дырочной составляющей объясняется разрывом отдельных связей атомов основного вещества с образованием электронов и дырок.

Добавление в чистый полупроводник трехвалентных атомов примеси, называемых акцепторами, приводит к замещению ими в отдельных узлах решетки атомов основного вещества (рис. 4.8 б). Трехвалентный атом примеси имеет на один электрон меньше того числа электронов, которое требуется для образования устойчивых ковалентных связей. Иными словами, при введении такого атома примеси появляется вакантная связь, на которую может перейти электрон из соседней связи. Необходимая для такого перехода энергия весьма мала, и уже при комнатной температуре все свободные места у атомов примеси оказываются занятыми, а сами атомы вследствие этого превращаются в отрицательные ионы. На местах ушедших к этим атомам электронов образуются дырки, которые хаотически перемещаются в кристалле и могут участвовать в создании тока через кристалл. Появление дырок не связано с появлением свободных электронов, поэтому дырочная составляющая общего количества подвижных носителей заряда в таком полупроводнике преобладает над электронной составляющей. Рассмотренный полупроводник называют дырочным, или полупроводником p-типа.

Полупроводники n- и p-типа называют примесными, или легированными. Носители заряда, однотипные с примесным полупроводником, называют основными, а неоднотипные – неосновными. В полупроводнике n-типа основными носителями являются электроны, а неосновными — дырки, а в p-полупроводнике, наоборот, дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными.

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов и элементов интегральных схем основан на использовании свойств электронно-дырочного перехода (p-n перехода) – переходного слоя между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p-типа, а другая – n-типа. На рисунке 4.9 а) показаны два образца полупроводника с различным типом электропроводности. В каждом полупроводнике подвижные носители заряда (электроны и дырки) совершают хаотическое движение, обусловленное их тепловой энергией. Неподвижные положительные и отрицательные примесные ионы обозначены знаками плюс и минус соответственно, а дырки и электроны – теми же знаками в кружках. Оба образца нейтральны, т. е. подвижные и неподвижные заряды в них взаимно скомпенсированы.

Рисунок 4.9 – Проводники с различным типом электропроводности

После приведения полупроводников в соприкосновение из-за значительного различия в концентрациях подвижных носителей заряда будет происходить диффузия электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область, т. е. наблюдается диффузионный ток. Переход электронов из при контактной области n-полупроводника в p-полупроводник нарушает электрическую нейтральность указанной области. Заряды положительных ионов примеси оказываются не скомпенсированными, т. е. со стороны n-проводника у границы контакта появляется положительный заряд (рис. 4.9). Появлению этого заряда способствует также диффузия дырок из p-области и их рекомбинация с электронами n-области, вследствие чего избыточный положительный заряд со стороны n-области увеличивается.

Аналогично в слоях p-области, примыкающих к контакту, образуется не скомпенсированный отрицательный заряд доноров, вызванный уходом дырок в n-область и рекомбинацией дырок с электронами, пришедшими из n-области. Появление противоположных по знаку зарядов по обе стороны контакта вызывает появление электрического поля с напряженностью E, направленного из n-области в p-область (рис. 4.10).

V=E/q

E=qV

Рисунок 4.10 – Образование p-n-перехода

Возникшее электрическое поле препятствует диффузии основных носителей заряда, но способствует перемещению неосновных носителей заряда, т. е. электронов из p-области в n-область и дырок из n-области в p-область, так как для них направление поля является ускоряющим. Движение неосновных носителей заряда под воздействием поля образует ток проводимости (дрейфа), направленный противоположно току диффузии.

Состояние равновесия в структуре, очевидно, наступит тогда, когда ток диффузии и ток проводимости сравняются. При этом в области перехода установится некоторое значение напряженности электрического поля, а между областями полупроводника — разность потенциалов Vk (рис.4.10).

Таким образом, вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением, так называемый запирающий слой. Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.

Использование свойств p-n-перехода в полупроводниковых приборах в большинстве случаев связано с приложением к переходу разности потенциалов. При этом в переходе возникает дополнительное электрическое поле, изменяется высота потенциального барьера, а вместе с этим изменяются и потоки основных и неосновных носителей.

Если к p-n-переходу приложить разность потенциалов таким образом, чтобы плюс источника подключился к n-области, а минус – к p-области, то это приведет к увеличению потенциального барьера в переходе на U, так как поле, обусловленное внешним источником, добавляется к внутреннему полю, существующему переходе.

Увеличение напряженности электрического поля означает увеличение объемного заряда неподвижных ионов на участках, прилегающих к контакту, а последнее может быть достигнуто только за счет увеличение расстояния, на котором располагаются ионы с нескомпенсированным зарядом, т. е. за счет толщины перехода. При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал – он обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным, а p-n-переход – закрытым.

При противоположной полярности источника напряжения внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю в p-n-переходе, толщина запирающего слоя уменьшается, и при напряжении от 0,3 В до 0,5 В запирающий слой исчезнет. Сопротивление p-n-перехода резко снижается, и возникает сравнительно большой ток. Ток при этом называется прямым, переход – открытым.

На рисунке 4.11 показана полная вольт-амперная характеристика открытого и закрытого p-n-переходов.

Как видно, эта характеристика является существенно нелинейной. На участке 1 прямой ток мал. На участке 2 внешнее электрическое поле больше внутреннего, запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. На участке 3 запирающий слой препятствует движению основных носителей, небольшой ток определяется движением неосновных носителей заряда. Излом вольт-амперной характеристики в начале координат обусловлен различными масштабами координатных осей при прямом и обратном напряжении, приложенном к p-n-переходу. И наконец, на участке 4 происходит пробой p-n-перехода, и обратный ток быстро возрастает. Это связано с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда (электронов и дырок), что приводит к резкому увеличению обратного тока через p-n-переход при почти неизменном обратном напряжении.

Рисунок 4.11 – Вольт-амперная характеристика n-p-перехода

Этот вид электрического пробоя называют лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках.

Закрытый p-n-переход обладает электрической емкостью C, которая зависит то его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. При увеличении обратного напряжения ширина p-n-перехода возрастает, и емкость p-n-перехода уменьшается.

Свойства чистых и легированных полупроводников и p-n-перехода лежат в основе построения двухэлектродных полупроводниковых приборов – полупроводниковых резисторов и диодов. В основе построения более сложных приборов – транзисторов – лежат свойства и характеристики, определяемые взаимодействием нескольких p-n-переходов.