ответы на кр2

Часть 1

1. Охарактеризуйте электронно–дырочный переход.

Электронно-дырочным переходом (р-n- переходом) называют слой полупроводника, располагающийся по обе стороны от границы раздела р и n-областей.

В зависимости от характера распределения примесей, различают резкий и плавный р-n- переходы. В резком р-n-переходе концентрация акцепторов и доноров изменяется скачкообразно на границе р- и n-областей. В плавном переходе концентрация акцепторов и доноров является линейной функцией расстояния.

Относительно резкий р-n-переход можно создать при вплавлении примеси, плавный при диффузии.

2. Охарактеризуйте обедненные слои объемного заряда p–n–перехода.

Поскольку на границе раздела р- и n- областей имеется градиент концентрации свободных носителей заряда, то будет происходить процесс диффузии электронов в р- область и дырок в n-область. Это приводит к обеднению основными носителями заряда приграничных слоев и к возникновению объемных зарядов противоположного знака.

В р-полупроводнике в приграничном слое падает концентрация дырок, а в n-полупроводнике концентрация электронов. В резком р-n-переходе создаются обедненные слои ступенчатого объемного заряда, в плавном - линейного объемного заряда.

Толщины слоев обратно пропорциональны концентрациям примесей в областях полупроводника. Однако при любых соотношениях концентрации примесей в областях полупроводника сумма объемных зарядов в р- и n- областях равна нулю, т. е. площади под кривыми ρ(x) равны между собой.

3. Охарактеризуйте электрическое поле и контактную разность потенциалов в p–n– переходе.

Нескомпенсированные заряды ионов примесей вызывают появление электрического поля, направленного от положительного заряда к отрицательному, т.е. из слоя n в слой р. Это поле будет препятствовать дальнейшей диффузии. В равновесном состоянии диффузионные токи уравновешиваются дрейфовыми токами. Полный ток при этом через р-n-переход равен нулю.

Возникновение электрического поля в р-n- переходе приводит к появлению разности потенциалов между смежными слоями, которая называется контактной разностью потенциалов.

Образующаяся в р–n-переходе контактная разность потенциалов UK создает в р–n-переходе

препятствующий переходу электронов из n- области в р-область, а дырок – из р-области в n- область:

qUK Ecp Ecn Eip Ein EVp EVn qUK Eip Ein (Eip EF ) (EF Ein ) .

Чем сильнее легированы области

полупроводника, т. е. чем больше nno ND и

ppo NA , тем больше контактная разность потенциалов.

4. Охарактеризуйте p–n–переход при прямом смещении.

Когда p-n переход прямой (с прямым смещением), то тогда на анод подается положительный потенциал, а на катод — отрицательный. Результатом этого процесса является сужение обедненной области, что уменьшает сопротивление движению тока через p-

nпереход.

5.Охарактеризуйте p–n–переход при обратном

смещении.

Когда p-n переход обратный (с обратным смещением), то отрицательный потенциал подается на анод, а положительный — на катод.

Это приводит к тому, что в результате обедненная область расширяется, а это вызывает увеличение сопротивления протеканию тока. Когда на p-n переходе создается обратное смещение, то имеет место максимальное сопротивление протеканию тока, а данный переход действует в основном как разомкнутая цепь.

6. Рассмотрите выражение для ВАХ тонкого p– n–перехода.

Тонким р-n переходом называют электронно-дырочный переход, толщина которого столь мала, что можно пренебречь процессами рекомбинации и генерации носителей заряда в области объемного заряда р-n-перехода.

P-n переход обладает ярко выраженной односторонней (униполярной) проводимостью, т. е. проявляет высокие выпрямляющие свойства.

7. Охарактеризуйте ВАХ p–n–перехода при прямом смещении.

При прямом смещении ток, протекающий через p-n переход экспоненциально зависит от прикладываемого напряжения. Таким образом p-n переход обладает ярко выраженной однополярной проводимость, т.е. Проявляет хорошее выпрямляющее свойство. Следует отметить, что ток, протекающий через p-n переход, определяется переносом неосновных носителей заряда, т.к. Область p-n перехода объединена основными носителями заряда.

8. Охарактеризуйте ВАХ p–n–перехода при обратном смещении.

При небольших обратных напряжениях наблюдается увеличение обратного тока за счет уменьшения диффузионной составляющей. При большем обратном напряжении основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер, в связи с чем диффузионный ток равен нулю. Этим объясняется отсутствие роста обратного тока при увеличении обратного напряжения.

9. Охарактеризуйте поверхностные состояния.

Реальные поверхности покрыты слоем адсорбированных атомов и молекул. Эти примеси также создают поверхностные уровни, которые могут быть как донорными, так и акцепторными. Роль примесей могут играть и различные дефекты решетки. При высокой плотности поверхностных состояний они, взаимодействуя друг с другом, могут размыться в поверхностную зону. Электроны в этой зоне могут двигаться только вдоль поверхности. Поверхностные состояния могут захватывать электроны или наоборот отдавать их, заряжаясь положительно или отрицательно. Заряжение поверхности полупроводника при заполнении поверхностных состояний сопровождается возникновением у поверхности слоя объемного заряда, нейтрализующего поверхностный заряд.

10. Рассмотрите физические процессы в МДП– структурах в режиме обеднения.

Обедненная основными носителями область появляется в случае, когда на металлический электрод подается потенциал по знаку совпадающий с основными носителями заряда. Вызванный таким потенциалом изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике n-типа и до потолка валентной зоны в полупроводнике p-типа. Увеличения этого расстояния сопровождается обеднением приповерхностной области основными носителями.

11. Рассмотрите физические процессы в МДП– структурах в режиме инверсии.

Когда на металлический электрод подается достаточно большой потенциал по знаку совпадающий с основными носителями, то расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны в полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости, вследствие чего концентрация не основных носителей заряда (дырок) у поверхности полупроводника становится выше концентрации основных носителей и тип проводимости этой области меняется. Изменение типа проводимости полупроводника называется инверсией, а слои, в которых оно наблюдается называются инверсионными слоями.

12. Рассмотрите физические процессы в МДП– структурах в режиме обогащения.

Если знак потенциала металлического электрода противоположен знаку заряда основных носителей тока в полупроводнике, то происходит притяжение основных носителей к поверхности и обогащение ими приповерхностного слоя. Под действием потенциала противоположным по знаку у основных носителей заряда энергетические зоны на поверхности ПП изгибаются таким образом, что в МДП-структуре в ПП n-типов на поверхности ПП уменьшается расстояние от уровня Ферми до дна зоны проводимости. В МДП-структуре в ПП p-типов на поверхности ПП уменьшается расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны.

13. Рассмотрите работу установки для измерения ВФХ.

ГПС – генератор переменных сигналов

ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения

СВ – селективный вольтметр

РУ – регистрирующее устройство

С ГПС через СР на МДП-с подается переменный сигнал амплитудой порядка kT. С ГЛИНа на МДП-с подается напряжение смещения. На R2 выделяется переменный сигнал пропорциональный СМДП-с который усиливается. СВ детектируется и подается на вход y РУ. На вход x подается U смещения с выхода ГЛИНа. СР предназначен для того, чтобы предотвратить шунтирование МДП-с по постоянному току выходным сопротивлением ГПС. R1 предотвращает шунтирование МДП-с по переменному току выходным сопротивлением ГЛИНа.

14. Рассмотрите ВФХ МДП–структур в режиме обеднения.

В состоянии обеднения электроны отгоняются от поверхности полупроводника и в приповерхностном слое образуется неподвижный заряд ионизированных доноров. Емкость такой структуры будет складываться из емкостей двух последовательно соединенных конденсаторов: конденсатора, образованного диэлектрическим слоем d, и конденсатора, образованного обедненным слоем.

15. Рассмотрите ВФХ МДП–структур в режиме инверсии.

В состоянии инверсии к поверхности полупроводника притягиваются дырки, образуя положительный заряд QD. До наступления инверсии рост заряда в полупроводнике QI определяется ростом заряда ОПЗ и увеличением dОПЗ, а после наступления инверсииростом заряда QD. Поскольку толщина инверсного слоя, образованного дырками почти не зависит от приложенного напряжения, то в состоянии инверсии емкость структуры не зависит от напряжения.

16. Рассмотрите ВФХ МДП–структур в режиме обогащения.

В режиме обогащения в МДП-структуре с полупроводником n-типа (плюс на металлическом электроде) электроны притягиваются к поверхности и в приповерхностном слое полупроводника возникает заряд QS притянутых электронов, по величине равный заряду QI, индуцируемому на металлическом электроде. С увеличением напряжения толщина заряженного слоя сохраняется практически неизменной и рост заряда QS происходит за счет повышения объемной плотности. Поэтому емкость структуры не зависит от приложенного напряжения.

17.Рассмотрите работу МДП-транзистора.

Предположим, что заряд в диэлектрике

равен нулю. Тогда при равенстве нулю напряжения между истоком и затвором Uзи=0 проводящий канал в полупроводнике p-типа будет отсутствовать и между стоком и истоком оказываются два встречно включенных p–n- перехода. Поэтому при подаче напряжения на сток ток, протекающий через транзистор, будет ничтожно мал.

При подаче на затвор отрицательного напряжения Uзи<0 поверхностный слой обогащается дырками, а ток, протекающий через транзистор, остается ничтожно малым. Транзистор закрыт.

При подаче на затвор возрастающего положительного потенциала в подложке сначала образуется обедненный дырками слой, а затем – инверсионный слой электронов, образующий проводящий канал. Через транзистор начинает протекать ток, зависящий от напряжения на затворе.

18. Рассмотрите физические процессы в линейной области выходных ВАХ МДПтранзистора.

На выходные ВАХ существенное влияние оказывают изменения в структуре канала, возникающие с ростом напряжения на стоке.

При Uи=Uc=0 электрическое поле в диэлектрике и полупроводнике будет однородным, и толщина канала будет одинаковой от истока до стока.

Если напряжение Uси > 0 и не очень велико, то канал ведет себя как обычное сопротивление. Ток стока увеличивается пропорционально напряжению стока. Эту область ВАХ называют линейной областью работы транзистора.

19. Рассмотрите физические процессы в области насыщения тока стока ВАХ МДПтранзисторов.

С ростом напряжения Uси будут увеличиваться ток стока и потенциал поверхности полупроводника в направлении от истока к стоку. Вследствие этого разность потенциалов между затвором и поверхностью полупроводника будет уменьшаться в направлении стока. Соответственно сечение канала начинает сужаться в направлении стока.

При напряжении на стоке, равном напряжению насыщения Uсн, разность потенциалов между затвором и поверхностью полупроводника становится равной нулю у стока. Толщина канала у стока становится равной нулю. МДП-транзистор переходит в режим отсечки канала. При напряжении Uси > Uсн точка отсечки сдвигается к истоку и происходит укорочение канала на L. На участке L обедненный слой выходит на поверхность полупроводника.

После отсечки канала ток стока перестает зависеть от потенциала стока. Эта область ВАХ называется областью насыщения тока стока.

20. Рассмотрите работу полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Пусть на сток подается положительное напряжение относительно истока. С ростом напряжения на p-n-переход увеличивается толщина обедненного слоя. Проводящим каналом между истоком и стоком является область эпитаксиального слоя между областью затвора p- n-подложкой.

При изменении толщины обедненного слоя будет меняться поперечное сечение проводящем его канала, а, следовательно, и его проводимость. Чем выше направляющее напряжение на p-n- переходе, тем больше толщина проводящего канала и его проводимость.

Изменяя напряжение на p-n-переходе можно менять ток на стоке и истоке. На p-n- переход подаётся обратное напряжение, т.е. на вывод подложки отрицательного напряжения относительно истока.

Внекоторых транзисторах подложка может выполнять функции второго затвора.

Внекоторых транзисторах подложка не имеет отдельного вывода и соединяется с затвором.

Часть 2

1.Сравните плавный и резкий p–n– переходы.

Взависимости от характера распределения примесей различают две разновидности переходов: резкий (ступенчатый) и плавный. При резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной, а при плавном— на расстоянии, значительно большем диффузионной длины.

2.Сравните зависимости концентраций основных и неосновных носителей от

расстояния в p–n–переходе.

Вр-полупроводнике в приграничном слое падает концентрация дырок, а в n-полупроводнике

–концентрация электронов.

Врезком р–n-переходе создаются обедненные слои ступенчатого объемного заряда, в плавном – линейного объемного заряда. Концентрация акцепторов в р-области выше концентрации доноров в n-области.

3. Сравните зонные диаграммы полупроводников n и p типа.

Донорные примеси образуют примесные уровни, расположенные в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости; акцепторные примеси образуют примесные уровни, расположенные в запрещенной зоне вблизи валентной зоны. Уровень Ферми в примесных полупроводниках располагается между примесным уровнем и дном зоны проводимости, либо между примесным уровнем и потолком валентной зоны.

4. Рассмотрите взаимосвязь концентраций легирующих примесей, объемных зарядов, толщин обедненных слоев в p–n–переходе.

Чем больше концентрация легирующих примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, и увеличивается контактная разность потенциалов Uk, т.е. высота потенциального барьера. При этом толщина p-n перехода d уменьшается, т.к. соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.

5. Получите зависимость контактной разности потенциалов от концентрации легирующих примесей в области p–n–перехода.

Образующаяся в p-n-переходе контактная разность потенциалов Uk создаёт в p-n-переходе

препятствующий переходу электронов из n- области в p-область, а дырок – из p-области в n- области.

;;

Из закона действующих масс следует:

Из этих формул можно получить:

неосновных носителей заряда через равновесные концентрации неосновных носителей заряда через равновесные концентрации основных носителей заряда в противоположных областях:

6. Сравните ВАХ p–n–перехода при прямом и обратном смещении.

При обратном смещении на p-n-переходе ток основных носителей заряда, сдерживаемый возросшим потенциальным барьером, уменьшается. Увеличение обратного смещения приведет к дальнейшему росту потенциального барьера и, в конце концов, ток основных носителей заряда через p-n-переход станет равным нулю.

Прямое смещение понижает потенциальный барьер для основных носителей заряда, что приводит к росту прямого диффузионного тока. Основные носители заряда, гонимые градиентом концентрации, устремляются через понизившийся потенциальный барьер и прямой диффузионный ток через p-n-переход, в этом случае, значительно превысит обратный ток дрейфа неосновных носителей заряда.

7. Сравните высокочастотные и низкочастотные ВФХ МДП–структур.

При высокочастотном сигнале не основные носители не успевают следить за сигналом, поэтому емкость полупроводника определяется емкостью ОПЗ и не зависит от заряда дырок, а так как после образования инверсного слоя ширина ОПЗ не меняется, то и С = f(U) остается постоянной. При низкочастотном сигнале неосновные носители успевают следовать за переменным напряжением и емкость полупроводника определяется в этом случае зарядом дырок в инверсном слое, который быстро растет с напряжением.

8.Покажите, как влияет на ВФХ МДП структур заряд в диэлектрике.

Вдиэлектрике может возникать заряд, который приводит к сдвигу ВФХ вправо или влево по оси напряжений.

9.Покажите, как влияет на ВФХ МДП структур большая плотность поверхностных

состояний.

Вреальных МДП-структурах на границе раздела диэлектрик полупроводник имеются поверхностные состояния. При изменениях внешнего напряжения положение энергетических уровней поверхностных ловушек изменяется, следуя за смещением краев разрешенных зон полупроводника на границе раздела, в то время как положение уровня Ферми остается неизменным. В результате происходит изменение зарядового состояния поверхностных состояний, что дает дополнительный вклад в дифференциальную емкость структуры. В результате высокочастотная ВФХ растягивается вдоль оси напряжения, а на низкочастотной увеличивается на Cмин вплоть до полного исчезновения провала при достаточно высокой концентрации поверхностных состояний.

10. Приведите классификацию полевых транзисторов по структуре и способу управления проводимостью канала.

1.Полевые транзисторы с управляющим затвором, между металлическим затвором и каналом расположен слой диэлектрика (МДП - транзисторы)

2.Полевые транзисторы с управляющим переходом металл-п/п (с диодом Шоттки), металлический электрод затвора образует выпрямляющий контакт с каналом, на который в рабочем режиме подается обратное напряжение.

3.Полевые транзисторы с управляющим p- n переходом, в качестве затвора используют слой п/п, образующий с каналом p-n переход, в рабочем режиме имеющий обратное включение.

11. Перечислите и охарактеризуйте основные параметры МДП-транзисторов.

1.Толщины подзатворных диэлектриков от единиц нм до 100нм.

2.Длина канала от 20 нм до единиц мкм.

3.Квантование электронного газа в инверсионном слое.

4.Механизмы переноса заряд через наноразмерные диэлектрические слои: сильнополевая туннельная инжекция по ФаулеруНордгейму (туннелирование носителей через треугольные потенциальные барьеры толщиной от единиц до десятков нм) и прямое туннелирование через диэлектрические слои толщиной менее 4 нм.

5.Интерференционные явления при переносе электронов через диэлектрические пленки наноразмерной толщины.

12.Сравните напряжение отсечки и пороговое напряжение полевых транзисторов.

При подаче на затвор отрицательного

напряжения поверхностный слой обогащается дырками, а ток, протекающий через транзистор, остается ничтожно малым. Транзистор закрыт. При подаче на затвор возрастающего положительного потенциала в подложке сначала образуется обедненный дырками слой, а затем инверсионный слой электронов, образующий проводящий канал. Через транзистор начинает протекать ток, зависящий от напряжения на затворе.

Таким образом сравнивая эти два напряжения сделаем вывод: при подаче напряжения отсечки ток в транзисторе остается ничтожно малым, а при пороговом - ток зависит от силы напряжения на затворе.

13. Сравните индуцированные и встроенные каналы в МДП-транзисторах.

Каналы, образующиеся под действием внешнего напряжения и отсутствующие в равновесном состояние называются индуцированными. Их толщина 1-2 нм, она практически не меняется. Модуляция проводимости канала осуществляется за счет изменения концентрации носителей.

Если поверхностный слой п/п между стоком и истоком легировать донорами, то проводящий канал будет существовать и при нулевом напряжение на затворе.

Таким образом индуцированные и встроенные каналы различаются методом своего образования, а также тем, что встроенный канал может существовать и при нулевом напряжении на затворе.

14. Сравните структуру зарядов в МДПструктурах в режиме обеднения и инверсии.

Всостояние обеднения электроны отгоняются от поверхности полупроводника, и в приповерхностном слое образуется неподвижный заряд ионизированных доноров.

Всостоянии инверсии к поверхности полупроводника притягиваются дырки, образую положительный заряд Qп. До наступления инверсии рост заряда в полупроводнике Qп определяется ростом заряда ОПЗ и увеличением dопз, а после - ростом заряда Qp.

Всостоянии инверсии и обеднения

структура зарядов будет одинакова.

15. Сравните структуру зарядов в МДПструктурах в режиме обеднения и обогащения.

Всостояние обеднения электроны отгоняются от поверхности полупроводника, и в приповерхностном слое образуется неподвижный заряд ионизированных доноров.

Всостоянии обогащения электроны притягиваются к поверхности полупроводника, и

вприповерхностном слое возникает заряд Qs равный заряду Qm, индуцируемому на металлическом электроде.

Всостоянии обеднения и обогащения структура зарядов будет разная.

16. Сравните структуру зарядов в МДПструктурах в режиме обогащения и инверсии.

Всостоянии обогащения электроны притягиваются к поверхности п/п, и в приповерхностном слое возникает заряд Qs равный заряду Qm, индуцируемому на металлическом электроде.

Всостоянии инверсии к поверхности п/п притягиваются дырки, образую положительный заряд Qп. До наступления инверсии рост заряда в полупроводнике Qп определяется ростом заряда ОПЗ и увеличением dопз, а после - ростом заряда

Qp.

Всостоянии инверсии и обогащения

структура зарядов будет разная.

17. Сравните линейную область и область насыщения тока стока выходных ВАХ МДПтранзистора.

Если Uси>0 и не очень велико, тогда ток стока увеличивается пропорционально напряжению стока. (линейная область).

Если Uси будет увеличиваться, тогда ток стока и потенциал поверхности будут расти. При напряжении Uси>Uсн произойдет отсечка, после которой ток стока перестанет зависеть от потенциала стока.(область насыщения).

Таким образом различие состоит в том, что в линейной области ток стока зависит от напряжения, а в области насыщения – не зависит.

18. Сравните структуры МДП-транзисторов с индуцированными и встроенными каналами.

МДП-транзистор со встроенным каналом может работать как при отрицательном, так и положительном напряжении на затворе, в то время как МДП-транзистор с индуцированным каналом работает только при одной полярности напряжения на затворе.

19. Покажите, почему отсечка канала в МДПтранзисторах приводит к насыщению тока стока.

Вследствие увеличения области пространственного заряда стока длина канала уменьшается, что приводит к насыщению тока стока.

20. Покажите, почему в равновесном состоянии ток, протекающий через p–n– переход, равен нулю.

Высота потенциального барьера всегда устанавливается именно такой, чтобы наступило равновесие, т. е. диффузионный ток и ток дрейфа компенсируют друг друга. В установившемся режиме, т. е. при динамическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения.

Часть 3

1. Приведите зонные диаграммы полупроводников n- и p-типа.

2.Приведите зонную диаграмму p–n–перехода

вравновесном состоянии.

3. Приведите ВАХ p–n–перехода.

4. Приведите зонную диаграмму МДПструктуры с полупроводником n–типа в режиме обеднения.

5. Приведите зонную диаграмму МДПструктуры с полупроводником р–типа в режиме обеднения.

6. Приведите зонную диаграмму МДПструктуры с полупроводником n–типа в режиме инверсии.

7. Приведите зонную диаграмму МДПструктуры с полупроводником р–типа в режиме инверсии.

9. Приведите зонную диаграмму МДПструктуры с полупроводником р–типа в режиме обогащения.

14. Приведите обозначения МДПтранзисторов.

10. Приведите ВФХ МДП–структуры с полупроводником n–типа.

11. Приведите ВФХ МДП–структуры с полупроводником р –типа.

15. Приведите структуру полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

12. Приведите структурную схему установки для измерения ВФХ.

16. Приведите выходные ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n переходом.