Физические основы микро- и наноэлектроники

обедняется электронами, вследствие чего его сопротивление увеличивается и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное смещение затвора, тем меньше ток Ic. Такой режим работы МДП-транзистора называется режимом обеднения.

Положительное напряжение на затворе (Vç > 0) создает электриче- ское поле, под влиянием которого электроны подтягиваются в канал, что приводит к росту его проводимости и увеличению тока стока. Этот режим называется режимом обогащения.

Рассмотренный транзистор может, таким образом, работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Это справедливо только для транзистора со встроенным каналом. Зависимость Ic(Vç)/Vc = const,

называемая характеристикой передачи, представлена на рис. 9.16,á. Статические характеристики передачи выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки Vçè îòñ, т.е. напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

§ 9.8. Принцип работы и характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

Рассмотрим полевой транзистор, который отличается от описанного

⧠9.7 тем, что имеет проводящий канал индуцированного типа. Структура и условное графическое изображение такого транзистора показаны ранее (см. условное обозначение на рис. 9.14,á). Природа возникновения инверсии поверхностной проводимости подробно рассмотрена в § 9.5, откуда следует, что инверсионный слой на подложке p-типа может возникнуть только при положительном смещении на полевом электроде (затворе) или при наличии в диэлектрике встроенного положительного заряда.

Âтранзисторе с индуцированным каналом при Vç = 0 инверсионный

слой на подложке p-типа, а значит, и канал n-типа отсутствуют. В этом состоянии при включении транзистора в цепь по схеме рис. 9.15 сопротивление между истоком и стоком очень большое, так как p-n-переход

стока находится под обратным смещением Vc. При положительном напряжении на затворе электроны из подложки будут перемещаться в ОПЗ на границе полупроводника p-типа с диэлектриком, как показано на рис. 9.14,á. Когда напряжение на затворе превысит так называемое пороговое напряжение Vïîð, при котором концентрации электронов и дырок

âповерхностном слое становятся одинаковыми, т.е. ns = ps, и обычно

составляющее единицы вольт, то в слое ОПЗ концентрация электронов станет выше концентрации дырок, т.е. произойдет инверсия проводимости и образуется инверсионный (индуцированный) канал n-òèïà. Òîê

191

192

водности, называют комплементарными, т.е. дополняющими друг друга по типу электропроводности проводящих каналов. Такие приборы оказываются очень удобными для построения ряда схем.

От биполярных полевые транзисторы отличаются принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом осуществляется входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем (напряжением на затворе). Полевые МДП-тран- зисторы имеют значительно большие входные сопротивления, определяемые сопротивлением подзатворного диэлектрика, малый уровень шумов, высокую противорадиационную устойчивость, обладают слабой зависимостью параметров от температуры, высокой надежностью и удобством применения в интегральных схемах.

Недостатком МДП-транзисторов является возможность электриче- ского пробоя тонкого слоя подзатворного диэлектрика под действием статических электрических зарядов, которые могут возникнуть на изолированном затворе.

Контрольные вопросы и задачи

1. (ШВПС). Что такое поверхностные состояния? Ответы:

1)загрязнения на поверхности полупроводника;

2)дополнительные разрешенные энергетические уровни во всех зонах, расположенные на поверхности полупроводника;

3)энергетические уровни в объеме полупроводника, вносимые донорными или акцепторными примесными атомами в зоне проводимости или валентной зоне соответственно;

4)энергетические уровни, возникающие при ионизации атомов основного вещества.

2. (ГКБС). Какие поверхностные состояния называются быстрыми? Ответы:

1)состояния, обусловленные структурными дефектами поверхности

èнаходящиеся в хорошем контакте с объемом полупроводника, время их

обмена носителями заряда с разрешенными зонами в объеме составляет около 10–7 ñ;

2) состояния, создаваемые на внешней поверхности окисла, покрыва-

ющего полупроводник, вследствие чего время обмена электронами не превышает 10–3 ñ;

3)состояния, возникающие при подаче измерительного сигнала высокой частоты на полупроводник;

4)состояния, возникающие при подаче положительного напряжения на затворе.

3. (ЛКМС). Какие поверхностные состояния называются медленными?

193

Ответы:

1)состояния, обусловленные структурными дефектами поверхности

èимеющие малое (около 10–7 с) время обмена носителями заряда с разрешенными зонами;

2)состояния, возникающие на внешней поверхности окисла, покрывающего полупроводник вследствие адсорбции примесных атомов;

3)состояния, имеющие малую скорость рекомбинации;

4)состояния, увеличивающие скорость перехода носителей из валентной зоны в зону проводимости на поверхности.

4. (Т7АК). Как возникает обогащение приповерхностного слоя полупроводника?

Ответы:

1)при подаче напряжения электроны и дырки из объема притягиваются в поверхностный слой. Концентрация носителей заряда у поверхности возрастает;

2)обогащение возникает при небольших отрицательных смещениях на затворе –Vñì относительно полупроводника n-òèïà;

3)обогащение возникает при положительном напряжении на затво-

ðå +Vñì относительно полупроводника n-типа. При этом положительный заряд на затворе компенсируется подвижными электронами, которые подтягиваются из объема в приповерхностный слой полупроводника;

4)обогащение возникает при подаче переменного напряжения от генератора за счет лавинообразного увеличения концентрации подвижных носителей заряда в сильном электрическом поле.

5. (Я9ДП). Что такое обеднение приповерхностного слоя полупроводника?

Ответы:

1)уменьшение концентрации подвижных носителей заряда, возникающее в объеме полупроводника при подключении напряжения к структуре металл-диэлектрик-полупроводник;

2)уменьшение концентрации электронов в приповерхностном слое

полупроводника при небольших отрицательных смещениях –Vñì на затворе относительно полупроводника n-òèïà;

3)уменьшение сопротивления поверхностного слоя полупроводника при подаче внешнего напряжения;

4)уменьшение концентрации доноров в полупроводнике n-типа. 6. (Х9ИН). Что такое инверсия проводимости?

Ответы:

1)увеличение ионной проводимости полупроводника под действием внешнего напряжения;

2)уменьшение проводимости полупроводника под действием внешнего напряжения;

3)изменение типа проводимости;

194

4) изменение емкости МДП-структуры при изменении частоты внешнего напряжения.

7. (У6СД). На нижеприведенных рисунках укажите верное изображение энергетической зонной диаграммы структуры металл-диэлектрик- полупроводник n-типа проводимости, соответствующее режиму обогащения.

8. (Ю4ЭД). На рисунках, приведенных ниже, укажите верное изображение энергетической зонной диаграммы МДП-структуры, соответствующее режиму инверсии.

9. (Я9ЭП). Что называется эффектом поля? Ответы:

1)изменение поверхностной проводимости полупроводника под действием поперечного электрического поля;

2)возникновение электрического поля при освещении полупровод-

íèêà;

3)возникновение поперечной разности потенциалов при пропускании тока через полупроводниковый образец в продольном направлении;

4)возникновение разности потенциалов вдоль полупроводникового образца при наличии градиента температуры.

10. (И2ПБ). В чем отличие полевых и биполярных транзисторов?

195

Ответы:

1)в биполярных транзисторах имеются два p-n-перехода, а в полевых p-n-переходы отсутствуют;

2)ток в полевых транзисторах переносится носителями заряда одного знака, а в биполярных — носителями заряда разных знаков;

3)у биполярных транзисторов меньше изменяются параметры при изменении температуры окружающей среды, уровня радиации, ионизирующего излучения, чем у полевых транзисторов;

4)входное сопротивление большинства биполярных транзисторов превышает входное сопротивление полевых транзисторов.

11. (Г7ИК). Какие полевые транзисторы называются транзисторами

ñиндуцированным каналом?

Ответы:

1)транзисторы, в которых сечение проводящего канала изменяется при изменении приложенного напряжения;

2)транзисторы, в которых проводящий канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной величины и полярности;

3)транзисторы, в которых канал индуцируется за счет изменения температуры полупроводника;

4)транзисторы, длина проводящего канала у которых изменяется при подаче напряжения.

12. (РТВК). Что такое полевой транзистор со встроенным каналом? Ответы:

1)полевой транзистор, в котором у поверхности полупроводника под затвором существует инверсионный слой, соединяющий области стокисток при нулевом напряжении на затворе;

2)полевой транзистор, у которого затвор от канала отделен запирающим слоем p-n-перехода;

3)полевой транзистор, управление током стока которого осуществляется за счет инжекции носителей из истока;

4)полевой транзистор, у которого проводящий канал встраивается при подаче на затвор напряжения выше порогового значения.

13. (У2ВФ). На рисунке укажите верное изображение высокочастотной вольт-фарадной зависимости МДП-структуры, изготовленной на ос-

нове полупроводника проводимости n-òèïà. Ñä — емкость диэлектрика. Зависимость измерена на высокой частоте.

196

14. (Н2ПЗ). Какая из нижеприведенных зависимостей C(V) верно отражает накопление положительного заряда в окисле и на поверхностных состояниях полупроводника n-типа проводимости?

197

ãäå Cä — емкость диэлектрика; Cn — емкость полупроводника; ε — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ε0 — абсолют-

ная диэлектрическая проницаемость вакуума.

16.(ÔÒÑÎ). Êàê ïî вольт-фарадной зависимости МДП-структуры определить емкость диэлектрика?

Ответы:

1) по величине емкости в режиме обогащения;

2) по величине емкости в режиме обеднения;

3) по величине емкости в режиме инверсии;

4) по величине емкости при нулевом напряжении.

17.(ЖУТД). Определите толщину диэлектрического слоя структуры металл-диэлектрик-полупроводник, в которой используется диэлектрик

ñотносительной диэлектрической проницаемостью, равной 9,8.

Электрическая постоянная составляет величину 8,85 10–12 Ô/ì,

а диаметр полевого электрода равен 1 мм. На экспериментальной вольтфарадной кривой для данной МДП-структуры высокочастотные емкости

âобластях инверсии, обогащения и при нулевом внешнем смещении

(Vg = 0) равны соответственно 97, 520 и 480 пФ.

Ответ в микрометрах с точностью до двух знаков после запятой с указанием единицы длины, например 0,15 мкм, наберите после кода задания

âвиде ряда символов.

18.(ПМЦО). По высокочастотной вольт-фарадной зависимости МДПструктуры определите емкость слоя диэлектрика (минимальная емкость

равна 150 пФ, максимальная емкость — 350 пФ, емкость при напряжении, равном нулю, — 180 пФ, площадь затвора составляет 7,85 10–7 ì2,

относительная диэлектрическая проницаемость — 3,5). Ответ наберите в пикофарадах после кода задания.

19.(СОЕМ). Чему будет равна максимальная емкость МДП-структу- ры (см. задачу 18), если диэлектрик заменить вакуумом? Ответ дайте в пикофарадах.

20.(Г5ДВ). Рассчитайте коэффициент перекрытия емкости k =

= Cmax / Cmin, если в МДП-структуре (см. задачу 18) диэлектрик заменить

вакуумом. Ответ укажите с точностью до двух значащих цифр после запятой и наберите его за кодом данной задачи.

198

Глава 10. Гальваномагнитные, термомагнитные

èтермоэлектрические явления в полупроводниках

§10.1. Эффект Холла

Гальваномагнитными и термоэлектрическими называют явления, связанные с влиянием магнитного поля или тепловых процессов на электри- ческие свойства твердых тел, в том числе полупроводников. Основная причина гальваномагнитных явлений — искривления траекторий носителей заряда (электронов и дырок) под действием силы Лоренца (эффект Холла, магниторезистивный эффект).

Термоэлектрические явления обусловлены нарушением теплового равновесия в потоке носителей заряда (эффекты Зеебека, Пельтье, Томсона).

Американский физик Э. Холл в 1879 г. открыл один из важнейших гальваномагнитных эффектов — возникновение в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, электрического поля, направленного перпендикулярно к направлениям тока и магнитного поля (эффект Холла). Рассмотрим прямоугольный образец полупроводника n-типа, по которому в направлении оси x пропускается электрический ток jx . Магнитное поле действует в направлении оси z, т.е. вектор магнитной индукции Bz направлен перпендикулярно вектору скорости дрейфа vx электронов (рис. 10.1). На дрейфующие электроны действует сила Лоренца

Под действием силы Лоренца электроны, дрейфующие вдоль оси x, отклоняются на боковую грань 2 образца в соответствии с направлением вектора FË. Это направление определяется согласно правилу векторного произведения с учетом отрицательного знака заряда электрона в выражении (10.1). На рис. 10.1 направление вектора jx соответствует техниче- скому направлению тока (противоположно вектору скорости дрейфа электронов).

xjx

Рис. 10.1. К объяснению эффекта Холла в донорном полупроводнике

199

200