Раздел 9. Физические основы построения базовых элементов эвм.

1. Полупроводниковые материалы. Р–n переход и его свойства. Диоды, (диод Ганна, ЛПД). Контакт металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Транзисторы : биполярные и униполярные ( с управляемым p-n переходом, МДП – транзисторы)

Полупроводниковые материалы

В основе твердотельной электроник лежат полупроводниковые материалы .К п./п материалам, используемым в электронной технике предъявляются ряд специфических механических, технологических, физико-химических и др. требований. Полупроводники для электронных приборов должны удовлетворять техусловиям по многим параметрам. Главными из них являются:

1. ширина запрещённой зоны в эВ, определяет концентрацию носителей при заданной температуре.

Типичные п/п - Т функции распределения носителей в собственном полупр. Можно приближённо считать максвелловскими

При этом f_p+ f_n=1 Эти же распределения можно применять и для примесных п/п ,учитывая, что уровни Ферми у п/п n-типа смещается ко дну зоны проводимости, а у p-типа -к вершине валентной зоны.

Повышение уровня Ферми влечёт повышение концентрации электронов и уменьшение концентрации дырок. Произведение концентраций остаётся при этом постоянной.

2) подвижность носителей зарядов (средняя скорость при Е=1 В/см, связана с проводимостью). При прочих равных условиях подвижность электронов выше подвижности дырок. От этого параметра зависит быстродействие прибора. Подвижность падает с ростом температуры , здесь

3) время жизни носителей. Это время от генерации до рекомбинации носителя. Практически всегда стараются увеличить время жизни разными способами (ловушки, спецпримеси, сверхрешетки и т.дп.)

4) проводимость, связана с концентрацией и подвижностью носителей. Закон Ома : = , где +q p -проводимость. Так как то и . Зависимость проводимости от температуры для п/п п-типа представлена на рис.

I II III

T

При повышении температуры за счёт активиции донорных примесей (ближе к зоне проводимости. Рост прекращается, када активированы все атомы(область 1 Т=100-200К). На участке 2 проводимость определяется только температурой

На участке 3 начинается генерация электронов с вакантных и валентных уровней (рост t=100-500С) Это область крирических температур. Рабочие температуры: t=--60 С до +100С (обл.2)

Движение носителей в полупроводниках.

• диффузионное, за счёт различая в концентрациях;

• дрейфовое, за счёт направленного воздействия внешних полей.

Р–n переход и его свойства.

В полупроводниках n-типа свободных электронов больше чем вакансий, p-типа – наоборот. Рассмотрим контакт двух полупроводников с разным типом проводимости (p-n-переход.)

Технология изготовления переходов, контактов и др.

1. Сплавная. Например, германий сплавляют с индием. Этот сплав образуется непосредственно на поверхности германиевой пластины расплавлением таблетки индия в инертной газовой среде.

2. Планарная технология. Получение p-n перехода с помощью локальной диффузии примеси

в окисленный кремний. При этом все внешние границы переходов выходят на одну поверхность. Границы переходов разделены окисной пленкой (это хороший диэлектрик).

3. Сложные схемные решения реализуются способом литографии.

4. Эпитаксильные технологии.

Заключительная операция- металлизация подводящих контактов.

Потенциальный барьер p-n перехода. Свойства.

W

зона проводимости

i-тип

Р-тип

n-тип

Валенная зона р-п

Диффузионный поток электронов в контакте будет направлен в область p-типа. В узком слое контакта произойдет рекомбинация электронов и дырок. Этот слой будет обеднён носителями обоих знаков и станет собственным полупроводником (i-слой) с относительно большим сопротивлением.

Ширина и импеданс обедненного слоя является важным параметром p-n перехода.

Переход будет происходить, как указывалось, до выравнивания изменённых уровней Ферми: .

При этом не скомпенсированные заряды создадут в контакте электрическое поле, которое будет препятствовать переходу основных носителей через переход:

Напряженность контактного поля ( или контактная разность потенциалов (высота потенциального барьера) является также важным параметром перехода.

Односторонняя проводимость p-n перехода.

Если к внешним контактам полупроводников подключить источник таким образом, что напряжённость поля источника и поля в p-n переходе направлены навстречу ( ), то высота потенциального барьера уменьшится и через переход потечёт ток:

–1)

З десь -ток неосновных носителей. При ток растет от по экспоненте. При , ток падает до

I Последнее имеет место быть , когда подключение внешнего

и сточника соответствует одинаковому направлению полей :

( ), Высота барьера вырастет . Это

обратное включение перехода. Обратный ток, как правило, ал. Таким образом, p-n переход обладает односторонней

U проводимостью.

Подключим источник переменного напряжения . Его поле будет так же меняться .

U(t)

Ток через переход будет пульсирующий, но одного направления

i(t)

Чтобы не терять половину периода, создают двухполупериодные выпрямители следующего вида:

Тогда получим ток одного направления, который легко преобразовать в постоянный по величине.

Таким образом, P-nобладает свойствами выпрямителя тока.

В вольт-амперной характеристике перехода существует довольно большой участок, где ток не меняется при изменении напряжения . Это свойство используется для создания приборов-стабилитронов.

P-n контакты п/п с разной шириной запрещённых зон называют –гетеропереходы. Особо важны для оптоэлектроники.

Пробой p-n перехода.

Резкое возрастание тока при напряжении на переходе больше критического – пробой.

Различают пробой : электрический и тепловой. Электрические могут возникать на ограниченном участке перехода вследствие резкого локального роста напряженности электрического поля:

. При малых r могу возникать большие напряжённости локального поля , способствующая генерации новых носителей. Локальные поля могут разгонять электроны, которые при ударе об узлы вызывают ударную ионизацию носителей с более низких уровней. На этом принципе работает ЛПД – лавинно-пролётный диод. Как правило электрические пробои обратимы и не приводят к выходу из строя прибора.

. Небольшие локальные нагревания п/п могут вызвать также генерацию носителей с низких уровней, но они практически не управляемы и могу привести перегреву кристалла (вплоть до расплава).

Диоды, (диод Ганна, ЛПД). Контакт металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Транзисторы : биполярные и униполярные ( с управляемым p-n переходом,

МДП - транзисторы).

Полупроводниковые диоды подразделяются по многим признакам. Прежде всего следует различать точечные, плоскостные и поликристаллические диоды. По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны

Т очечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или нескольких десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и более. Поэтому их применяют на частотах не более десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер и больше.

Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также и арсенид галлия и карбид кремния.

Поликристаллические диоды имеют p-n переход, образованный полупроводниковыми слоями, состоящими из большого количества кристаллов малого размера, различно ориентированных друг относительно друга и поэтому не представляющих собой единого монокристалла. Эти диоды бывают селеновыми, меднозакисными (купроксными) и титановыми.Рис. 2.

П ринцип устройства точечного диода показан на рисунке 3(а). В нем тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси которые создают в нем область с другим типом проводимости. Это процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы получается мини p-n переход полусферической формы. Следовательно, принципиальной разницы между точечными и плоскостными диодами нет. Позже появились еще так называемые микро-плоскостные или микросплавные диоды, которые имеют несколько больший по плоскости p-n переход, чем точечные диоды(б).

Рис. 3.

Плоскостные диоды изготавливаются, главным образом, методами сплавления диффузии. Для примера на рисунке 4.а) показан принцип устройства сплавного германиевого диода. В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 градусов каплю индия, которая сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа.

Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур опустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА

Мощные (силовые) диоды. К данному типа относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 100 - 100 000 А и обратные напряжения до 6000 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.

На принципиальных электрических схемах полупроводниковые диоды изображаются в виде треугольника и отрезка, расположенного на одной из его вершин и находящегося параллельно противолежащей стороне.

выпрямительные, импульсные и универсальные

стабилитроны и стабисторы туннельные обращенные варикапы

Фотодиод, полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения. Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (р-n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус.

Фотодиод

Различают 2 режима работы фотодиода: фотодиодный, когда во внешней цепи фотодиода содержится источник постоянного тока, создающий на рn-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме фотодиод, как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи фотодиода в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через рn-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в фотодиоде в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме фотодиод, как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс

Генераторные диоды. Диод Ганна.

Эффект Ганна заключается в том, что в объёме полупроводникового кристалла возникает ВЧ электрические колебания при приложении к электродам диода постоянного напряжения достаточно большой величины.

Диод Ганна представляет собой кристалл арсенида галлия малых размеров, на торцевые грани которого нанесена металлизация, представляющая электроды диода: катод и анод. Возникновение ВЧ электрических колебаний связывают с наличием в объёме кристалла неоднородного участка с отрицательным сопротивлением.

3.1. Физический механизм возникновения колебаний в диоде Ганна.

Известно, что общим условием усиления или генерации колебаний является наличие отрицательного сопротивления (проводимости). В диоде Ганна отсутствует перехода, поэтому возникновение локального отрицательного сопротивления связывают с отрицательной дифференциальной подвижностью электронов в зоне проводимости арсенида галлия: . Подвижность связана с проводимостью: , где v= ,-дрейфовая скорость электрона . Найдём =|n e| –дифференциальная проводимость. , Чтобы получить отрицательную дифференциальную проводимость, нужно чтобы с ростом поля скорость электрона уменьшалась. Преобразуем . Пусть µ зависит от поля , тогда - теперь нужно , чтобы с ростом поля проводимость не просто уменьшалась, а уменьшалась «быстрее», чем растет поле!

Для арсенида галлия удалось объяснить эффект Ганна, благодаря уникальности энергетического строения зоны проводимости.

Зависимость энергии W в зоне проводимости от импульса (mv) частицы имеет два

(двухдолинная модель) минимума, «долины». Эффективная масса электрона во второй, верхней долине больше, чем в первой (главной): здесь

электрона. При одинаковом значении напряжённости электрического поля скорость электронов второй долины будет меньше. В этой области энергий . Это возможно при достаточно большом, приложенном к диоду напряжении, при котором начинается интенсивный переход электронов из первой долины во вторую. Рис.4. Если бы этот процесс происходил в всём кристалле, то удалось бы получить экспериментальную вольт-амперную характеристику с падающим участком (отрицательным сопротивлением). Однако это не удаётся получить. Можно объяснить донное явление локальным характером эффекта.

Д

оменная неустойчивость.

Пусть орицательная дифференциальная проводимость имеет место в некоторой области образца , напряжённость поля в которой отличается от напряжённости в остальном объёме. Пусть далее в области концентрация донорной примеси несколько меньше, чем в остальной части образца. Экспериментально установлено, что область с отрицательным сопротивлением возникает на каких либо неоднородностях кристалла, если таковых нет, то на границе металл – кристалл.

Увеличение сопротивления на участке приведет к росту падения напряжения и росту напряжённости электрического поля. Если приложенная напряжённость к диоду достаточно высока, то на участке начнется переход электронов из нижней долины в верхнюю, сопровождающийся понижением дрейфовой скоростью. Эти электроны начинают отставать от электронов первой долины, которые уходят далеко вперёд. Таким образам, справа от них будет избыток положительных зарядов. Иначе обстоит дело слева от медленных электронов: электроны первой долины догоняют их образуется избыточный отрицательный заряд. Образовавшийся двойной электрический слой объёмного заряда (рис.5) называют электрическим доменом.

О

бразование домена означает увеличение напряжённости поля в нём и разности потенциалов на участке, занимаемом доменом. При постоянном приложенном к диоду напряжении, это вызовет снижение падения напряжения вне домена, в том числе и на неоднородности, от которой домен ушел. Образование нового домена, таким образом , не происходит до тех пор, пока домен не дойдёт до анода

Электроны домена уходят во внешнюю цепь, поле в кристалле принимает прежнее значение и процесс повторяется .

Время движения домена от катода к аноду (частота следования импульсов тока) зависит от длины образца, расположения неоднородности, скорости движения домена. Заметим , что скорость домена определяется процессами в образце и не зависит от внешнего напряжения.

Пример: скорость домена=10⁷см/с; длина образца =50мкм; время пролета домена =5·10^–10 с. Получим частоту следования импульсов тока f=2ГГц.

Таким образом , при коротких образцах полупроводников з арсенида галлия можно получить электрические СВЧ–колебания.

Генераторы на диодах Ганна перестраиваются по частоте настройкой резонаторов в широких пределах, позволяют в процессе перестройки переходить с одного режима на другой.

Лавинно-пролётный диод.(ЛПД).

В ЛПД для получения носителей заряда используется ударная ионизация в области перехода при подаче на диод отрицательного смещения. При этом можно создать условия получения отрицательного дифференциального сопротивления, что позволяет использовать ЛПД как генератор и усилитель СВЧ сигналов.

Лавинное умножение носителей заряда в переходе.

Если кинетическая энергия заряда, приобретаемая на «ширине» запрещенной зоны, превышает энергию ионизации данного п/п, то при ударе о нейтральный атом такой заряд вызовёт рождение пары электрон–дырка. При этом сам заряд остаётся свободным. Введём коэффициенты ионизации и –число электронно-дырочных пар, созданных на единице длины пути (1см) электроном и дыркой соответственно. Коэффициенты ионизации сильно зависят от напряжённости электрического поля. Увеличение в 2-3 раза может привести к росту на 4-5 порядков. Практически ударная ионизация наблюдается ( ) при напряжённости поля .B|m

В переходе наблюдается ударная ионизация при обратном напряжении вольт-амперной характеристики. Ударными частицами выступают неосновные носители, образующие обратный ток в переходе Напряжённости поля при наступлении лавинного пробоя достаточно большие.

Генерация СВЧ- колебаний при лавинном пробое была открыта А.С. Тагером в1959 году. Ток через переход при обратном смещении может быть сделан пульсирующим, если наряду с постоянным отрицательным смещением подать синусоидальное напряжение6

+ . В этом случае лавинный пробой (сгусток электронов) будет образовываться лишь за часть периода синусоиды, когда +

Такой ток наведёт в колебательной системе ВЧ колебания электромагнитного поля.

Контакт металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Транзисторы : биполярные и униполярные ( с управляемым p-n переходом, МДП - транзисторы).

Контакт металл-окисел-полупровлдник (МОП, МДП)

МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый контакт в полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида кремния SiO₂. В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник). Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, управляются напряжением, а не током и называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного типа.

Физические процессы в контакте.

ПОЛЯ ЭФФЕКТ - изменение проводимости полупроводника при наложении электрического поля, перпендикулярного его поверхности. Если одной из обкладок плоскопараллельного конденсатора является полупроводник n-типа, а другой - металл, и если металл зарядить положительно, то полупроводник заряжается отрицательно, т. е. в его приповерхностном слое появляются избыточные электроны, к-рые вместе с электронами, находящимися в объёме полупроводника, будут участвовать в электропроводности, увеличивая её (за исключением электронов, захваченных на поверхностные уровни). Поля эффект может быть как положительным, так и отрицательным. Дальнейшее повышение быстродействия было связано с отказом от металлических затворов и переходом на затворы из поликристаллического кремния. Чтобы ещё увеличить быстродействие, для изоляции затвора от канала были использованы диэлектрики с меньшим коэффициентом диэлектрической проницаемости, чем у оксида кремния, поэтому полевые транзисторы современных цифровых СБИС уже неправомерно называть МОП-транзисторами

1) Обогащение основными носителями.

Этому состоянию соответствует знак напряжения на металлическом электроде (затворе), притягивающий основные носители (для n-типа, Vg>0)(рис.а).

Если к металлическому электроду структуры приложено отрицательное напряжение Vg<0, край валентной зоны у границы с диэлектриком изгибается вверх и приближается к уровню Ферми. Поскольку в идеальной МДП-структуре сквозной ток равен нулю, уровень Ферми в полупроводнике остаётся постоянным. Так как концентрация дырок экспоненциально зависит от разности энергий (Ef - Ei), такой изгиб зон приводит к увеличению числа основных носителей (дырок) у поверхности полупроводника. Этот режим называется режимом обогащения (аккумуляции). Обогащение - состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация основных носителей больше, чем их концентрация в квазинейтральном объеме.

2) Обеднение основными носителями.

Этому состоянию соответствует небольшое по величине напряжение, отталкивающее основные носители (для n-типа,Vg<0.

Если к МДП-структуре приложено не слишком большое положительное напряжение Vg>0, зоны изгибаются в обратном направлении и приповерхностная область полупроводника обедняется основными носителями. Этот режим называют режимом обеднения или истощения поверхности

Если между металлом и окислом внести слой диэлектрика (например нитрид кремния, то транзистор с такой структурой МНОП–транзистор, может использоваться как ячейка памяти. При достаточно больших напряжениях на затворе (20-25В) через диэлектрик начинает протекать ток .Эти носители зарядов захватываются в нитриде кремния. После снятия напряжения в нитриде сохраняется в течение нескольких лет этот заряд. Стирание информации производится напряжением обратной

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Устройство биполярного транзистора. Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

При прямом включении эмиттерного перехода (переход открыт) происходит инжекция электронов из эмиттера в базу. Одновременно происходит инжекция дырок с базы в эмиттер. Так формируется ток эмиттера . Инжектированные электроны проходят базу, частично рекомбинируя с дырками, подходят к коллекторному переходу. Он закрыт для основных носителей, а электроны в базе таковыми не являются, поэтому втягиваются полем в коллектор. Ширина базы мала и ток эмиттера почти не изменяется, проходя через неё, да и концентрация электронов в области N (эмиттер) значительно превышает концентрацию дырок в области P базы. Ток базы нежелателен, так как он уменьшает ток коллектора

Если увеличить напряжение на базе, то ток эмиттера возрастёт. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I_Б, сильно меняется ток коллектора I_К. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Отношение тока коллектора I_К к току базы I_Б называется коэффициентом усиления по току: . β = I_К / I_Б .

Заметим, что сопротивление закрытого перехода много больше открытого, тогда

I_К R_К = . Отношение -коэффициент усиления по напряжению

 Классификация полевых транзисторов

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается,

во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов.

В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы.

Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки),

вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (метал — диэлектрик — полупроводник

Транзисторы с управляющим p-n переходом).

Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно - рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

Элементы оптоэлектроники. Гетеропереходы и сверхрешетки. Спонтанное и вынужденное излучение.. Лазеры и их применение. Фотодиоды и фотоприёмники.

Интерференция и дифракция света. Голографии. Голографическая запись информации