Физические основы микро- и нанотехнологии

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому, т.е. ток, проходящий через р–n- переход, равен нулю, что соответствует определенной высоте потенциального барьера.

Установившаяся высота потенциального барьера φ0 в электронвольтах численно равна контактной разности потенциалов Uк в вольтах, создаваемой между некомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы р–n-перехода. Величина φ0 зависит от температуры и материала полупроводника, а также от концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера уменьшается. При комнатной температуре для германия φ0 = 0,3...0,5 В, для кремния φ0 = 0,6...0,8 В.

С физической точки зрения при контакте областей с различным типом проводимости наличие градиента концентрации с обеих сторон приведет к тому, что, стремясь к равновесию, часть электронов перейдет из n-области в р-область, а часть дырок – из р-области в n- область, создав двойной электрический слой, как это показано на рис. 3.4, б. Его равновесие поддерживается, с одной стороны, силами кулоновского взаимодействия, а с другой стороны, стремлением системы к выравниванию концентрации носителей.

Если приложить к р-области отрицательный потенциал (включить р–n-переход в обратном направлении), то потенциальный барьер вырастет и ситуация усугубится – область двойного слоя расширится и никакого движения основных носителей заряда через р–n- переход не будет. Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через р–n-переход, и она уменьшается, а при некотором значении приложенного потенциала – совсем прекращается.

Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от р–n-перехода. Соответственно расширяются слой, обедненный носителями заряда, и р–n-переход, причем его сопротивление возрастает. В р-области положительные носители заряда (дырки) частично притянутся к отрицательно заряженному электроду, увеличив область,

161

занятую диффундировавшими в нее электронами. В n-области электроны притянутся к положительно заряженному электроду, обнажив ионы, расположенные в узлах кристаллической решетки, увеличив тем самым область, занятую положительным зарядом в n-области. Таким образом, при таком способе включения область двойного электрического слоя увеличится и никакого движения основных носителей через р–n-переход не будет.

Внутреннее электрическое поле в р–n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их

кр–n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через р–n-переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области – в n-область, а дырки – из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, создаваемый их движением ток через р–n-переход очень мал. Ток, протекающий через р–n-переход при обратном напряжении, называется обратным током. Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током, который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захвата электрическим полем р–n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через р–n- переход в область с противоположным типом электропроводности называется экстракцией. Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентрации в данной области около границы р–n-перехода практически до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей заряда из глубины области в направлении

кр–n-переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда создает электрический ток, а компенсация убыли электронов происходит за счет внешней цепи от минуса источника питания.

Рассмотрим включение перехода в прямом направлении, когда

кр-области приложен положительный потенциал. Такой потенциал

называется прямым потенциалом или прямым напряжением Uпр. Поскольку сопротивление перехода во много раз больше сопротивления

162

р- и n-областей, все прямое напряжение почти полностью падает на переходе. Полярность внешнего напряжения Uпp противоположна полярности контактной разности потенциалов Uк, поэтому электрическое поле, созданное на р–n-переходе внешним напряжением, направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности напряжений, действующих на р–n-переходе. Вследствие разности концентраций дырок в р- и n-областях, а электронов в n- и р-областях основные носители заряда диффундируют через р–n-переход, чему способствует снижение потенциального барьера. Через р–n-переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители заряда в обеих областях движутся к р–n-переходу, обогащая его подвижными носителями и уменьшая таким образом ширину обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления р–n-перехода и возрастанию диффузионного тока. Происходит частичная компенсация заряда двойного электрического слоя и уменьшение размеров области, им занимаемой.

Пока существует потенциальный барьер, обедненный слой имеет большое сопротивление и ток ничтожно мал. При увеличении внешнего прямого напряжения потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии двойного электрического слоя р–n- перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через р-n-переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током, который будет возрастать с увеличением прямого напряжения.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называется инжекцией. В симметричном р–n-переходе инжекции дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область по интенсивности одинаковы.

163

Инжектированные в n-область дырки и в р-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающуюся по мере удаления от границы в глубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заряда, которые поступают из глубины области. В результате компенсации объемных зарядов, создаваемых у р–n-перехода инжектированными неосновными носителями, полупроводник становится электрически нейтральным.

Прохождение тока через р–n-переход при его прямом включении изапирание его при обратном включении означают, что он обладает выпрямляющим действием и является твердотельным аналогом вакуумного диода. Принципиальное отличие заключается в том, что в твердотельном приборе кроме основных носителей заряда есть и неосновные. Их наличиеприводиткпоявлениюшумовприпрямомвключенииивозможности электрическогопробояприобратномвключении.

3.4. Транзисторы

Транзисторами (от англ. transfer of resistor – преобразователь сопротивления) называются полупроводниковые приборы с двумя электрон- но-дырочными переходами, предназначенные для усиления и генерирования электрических сигналов. По устройству и принципу действия их подразделяют на два основных класса: биполярные и униполярные.

3.4.1.Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора (рис. 3.5). В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.

Переход, который образуется на границе эмиттер – база, называется эмиттерным, а на границе база – коллектор – коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают тран-

зисторы p–n–p и n–p–n.

164

2.Режим насыщения: оба р–n-перехода открыты.

3.Активныйрежим: одинизр–n-переходовоткрыт, адругойзакрыт. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзисто-

ром невозможно. В активном режиме такое управление осуществляется, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Область транзистора, расположенная между переходами, называется базой (Б). Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую – так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы.

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а соответствующий переход – эмиттерным.

Область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором (К), а переход – коллекторным.

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.

По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы.

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым (диффузионным).

Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что р–n-переходы расположены на расстоянии, меньшем диффузионной длины носителей (ширина базы у современных транзисторов – менее 0,1 мкм).

Транзистор типа р–n–р используется гораздо чаще, чем р–n–р, имеет лучшие эксплуатационные характеристики в области высоких частот и большее усиление при одной и той же концентрации приме-

166

сей и одинаковой геометрии. Это объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с дырками. Работа биполярного транзистора основана на явлениях, происходящих в объеме полупроводника.

На рис. 3.7 приведена электрическая схема биполярного транзистора типа n–р–n, работающего в активной области. Источники напряжения подключены таким образом, что транзистор работает в активном режиме при нормальном включении: источник Uэ смещает переход эмиттер – база в прямом направлении, а источник Uк смещает переход коллектор – база в обратном направлении.

Рис. 3.7. Электрическая схема биполярного транзистора, работающего в активной области

В активном нормальном режиме работы транзистора потенциал Uэ вызывает инжекцию электронов из эмиттера в область базы, которая располагается между границами хб-э и хб-к обедненных областей р–n- переходов. В активной области базы происходит диффузия электронов, причем в базе дрейфового транзистора вместе с диффузией происходит дрейф неосновных носителей заряда под действием внутреннего поля. Часть электронов рекомбинирует с дырками, но большая их часть проходит через базу и достигает того участка, где источник напряжения Uк, включенный в обратном направлении, создает сильное электрическое поле, ускоряющее носители по направлению к коллектору.

167

Для обеспечения эффективности этого процесса активная область базы должна быть существенно меньше диффузионной длины носителей, которая для электронов в базе составляет примерно 10 мкм. Процесс усиления происходит следующим образом. Вследствие малости концентрации легирующей примеси в базе инжекция дырок из базы

вэмиттер приводит к возникновению лишь небольшого дырочного тока, протекающего через вывод базы. С помощью этого малого тока можно управлять гораздо большим током коллектора (работа транзистора основана на существовании носителей заряда обоих знаков).

Поскольку напряжение Uк является обратным, уровень импеданса (полного сопротивления), относящегося к этой части цепи, оказывается

существенновышетогоуровня, которыйсвязансисточникомUэ. Поэтой причине транзистор является элементом цепи, создающим усиление по напряжению. Коэффициент передачи по току от эмиттера к коллектору оказывается немного меньше единицы. В активном режиме работу транзистора можно оценивать также крутизной характеристики, которая определяется путем измерения приращения тока на выходе в зависимости от изменения напряжения на входе. Схема биполярного транзистора

впланарномисполненииприведенанарис. 3.8 вупрощенномвиде.

Рис. 3.8. Схема биполярного транзистора в планарном исполнении: 1 – изолятор SiO2; 2 – изолирующий охранный слой;

3 – подложка; 4 – скрытый слой

168

Когда напряжение соответствующей величины приложено к выводам коллектора, эмиттера и базы, электроны начинают перемещаться. При увеличении разности потенциалов между базой и эмиттером возрастают электронный и дырочный токи. Если знак разности потенциалов поменять на обратный (подать «минус» на базу), то между слоями базы и эмиттера образуется обратносмещенный р–n-переход и ток не течет.

Изолирующий слой является аналогом охранного кольца и служит для предотвращения взаимного влияния друг на друга рядом расположенных элементов микросхемы. Современный биполярный транзистор может содержать 15 и более различных технологических слоев, соответственно, для его изготовления необходимо не меньшее число технологических операций. Поэтому в технологии микросхем все большее применение находит полевой транзистор, который является более технологичным в массовом производстве.

3.4.2. Полевые транзисторы

Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применяется только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными.

Принято различать два типа полевых транзисторов: с управляющим р–n-переходом и МДП-транзисторы.

Схема полевого транзистора с управляющим р–n-переходом, представлена на рис. 3.9. В полупроводниковой пластине р-типа сделаны выводы для трех электродов: истока, стока и затвора. Два из них – сток и исток – помещены в карман n-типа, а третий – затвор – помещен в карман р-типа (см. рис. 3.8). Слой полупроводника между истоком и стоком, в котором регулируется поток носителей заряда, называется проводящим каналом (на рис. 3.9 показан штриховой линией). Электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называется истоком, а электрод, через который они выте-

169

кают, – стоком. Электрод, на который подается напряжение, управляющее протекающим через канал током, и расположенный в р-кармане, называется затвором.

Рис. 3.9. Схема полевого транзистора с управляющим р–n-переходом:

1– карман р-типа; 2 – карман п-типа; 3 – канал; 4 – подложка р-типа;

И– исток; З – затвор; С – сток

При приложении между истоком и стоком потенциала ток может протекать только в области канала, поскольку между n-карманом и р- подложкой располагается обратносмещенный р–n-переход. На р–n- переход затвора подается обратное напряжение. Глубина образующегося обедненного слоя меняется в соответствии с поданным напряжением: чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой, тем меньше толщина проводящего n-канала. Таким образом, изменяя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение проводящего канала и, следовательно, его сопротивление. Напряжение, при котором обедненный слой перекрывает весь канал и прекращает протекание тока, называется напряжением отсечки.

При отсутствии потенциала между истоком и стоком толщина образованного канала будет одинаковой, зависящей от напряжения на затворе согласно выражению

170