книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

В качестве полупроводниковой подложки обычно используют кремний. Окпслепием кремния легко изготовить изолирующий слой диэлектрика (Si02 — двуокись кремния). Такой транзистор часто называют МОП-транзистором.

В качестве диэлектрической подложки используют сапфир, шпинель, ситалловое стекло. Диэлектрическая подложка способ­ ствует уменьшению паразитных емкостей, а следовательно, повы­ шению быстродействия транзистора. Однако применение таких подложек приводит к серьезным технологическим затруднениям, связанным с выращиванием монокристаллического кремния. Осо­ бенно большие трудности возникают при использовании сапфира [Л. 69] из-за значительных различий между структурами кристал­ лических решеток (сапфир имеет ромбоэдрическую симметрию, а кремний — кубическую). Несколько проще осуществляется нара­ щивание эпитакспальиого слоя кремния на подложке из шпинели,

имеющей, как и кремний, кубическую структуру. Однако механи­ ческие свойства шпинели уступают сапфиру.

В качестве изолирующего слоя можно использовать нитрид кремния Si3 N4 (МДП-транзистор), окись алюминия А12 05 либо

с индуцированным каналом (рис. 6-2, а) и МДП-транзисторы со встроенным каналом (рис. 6-2, б). В первых из них канал между стоком и истоком индуцируется, т. е. наводится управляющим напряжением. Когда же разность потенциалов между затвором и истоком равна нулю, проводимость между стоком и истоком прак­ тически отсутствует. В МДП-транзисторах со встроенным кана­ лом канал создается технологическим путем. Проводимость ка­ нала может быть увеличена или уменьшена изменением напряже­ ния между затвором и истоком.

В зависимости от типа электропроводности канала различают транзисторы /г-типа ир-типа. В первом из них канал обладает элект­ ронной электропроводностью, а во втором — дырочной электро­ проводностью. Тип электропроводности стока и истока всегда совпа­ дает с типом электропроводности канала.

210

6-2. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ р-п

ПЕРЕХОДОМ

На рис. 6-4 изображена полупроводниковая пластина р-типа, на противоположные грани которой введены донорные примеси, превращающие эти области исходной пластины в слои тг-типа.

Врезультате этого образуются два р-п перехода. Обе области

71-типа электрически соединены. Область полупроводниковой пластины, которая заключена между двумя р-п переходами, пред­ ставляет собой канал транзистора. Если концентрация атомов при­ меси в областях с электронной электропроводностью значительно превышает концентрацию примеси в исходном материале, то пере­ ходный слой почти целиком будет распространяться в р-область.

Вобедненном слое практически отсутствуют свободные носители заряда, поэтому ток между исто-

кающего через канал. Прп достаточно высоком обратном смеще­ нии на затворе сечение канала может быть уменьшено практически до нуля, т. е. произойдет смыкание областей объемного заряда. Напряжение U0, при котором канал будет полностью перекрыт слоем объемного заряда и ток через полупроводниковую пла­ стину будет определяться только токами утечки, называется на­ пряжением отсечки. Шокли в своей работе [Л. 70], в которой впервые был изложен принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п переходом, это напряжение назвал «напряже­ нием перекрытия канала». В настоящее время более распростра­ ненным является термин «напряжение отсечки» или «пороговое напряжение». Последним термином обычно называют соответствую­ щее напряжение для МДП-транзистора с индуцированным ка­ налом.

Рассмотрим семейство стоковых вольт-амперных характери­ стик (рис. 6-5). Предположим, что затвор и исток соединены на­

будет расти. Если бы с изменением напряжения £/с . п проводимость

211

канала не изменялась, то ток 10 возрастал бы прямо пропорцио­

на рис. 6-5). В действительности ток стока вызывает падение напря­ жения в канале, которое оказывается запирающим для р-п перехода затвор—каиал. Это способствует расширению области объемного заряда и уменьшению сечения канала транзистора, а следовательно, и уменьшению проводимости канала. При увели­ чении напряжения на стоке растет ток через каиал, возрастает па­ дение напряжения в канале, расширяется область объемного за­ ряда, уменьшается сечение токопроводящего канала и еще больше уменьшается его проводимость. Таким образом, увеличение на­ пряжения на стоке приводит к возрастанию тока через каиал до

Рис. G-5. Семейстпо стоковых характери­ стик транзистора с управляющим р-п пе­

реходом.

такой величины, при которой запирающее напряжение па р-п переходе начинает ограничивать рост тока. Увеличение тока / с замедляется и, начиная с некоторого напряжения на стоке Uc. „ , практически прекращается. Дальнейшее повышение напряжения на стоке уже не приводит к росту тока, так как одновременно ра­ стет и сопротивление канала. Если смещение на затворе равно нулю ((Узп = 0), то напряжение на стоке, при котором канал пере­ крывается и ток стока насыщается, достигая величины /с .ласо> равно напряжению отсечки Uc п = — U0. Действительно, распро­ странение области объемного заряда практически на все сечение пластины происходит у стока при разности потенциалов между затвором (в данном случае соединенным накоротко с истоком) и каналом, равной напряжению отсечки. При этом вблизи стоко­ вой области канал перекрывается и увеличение тока 10 практиче­ ски прекращается.

Если к затвору приложить внешнее запирающее напряжение, то ограничение роста тока 7С произойдет при меньшем значении Uc „ . Это объясняется тем, что обратное смещение на управляющем р-п переходе (напряжение затвор — исток) создает область объем­ ного заряда, которая уменьшает сечение канала. Поэтому началь-

212

ный участок стоковой вольт-амперной характеристики будет иметь меньший наклон, соответствующий меньшей проводимости ка­ нала. В рассматриваемом случае канал перекроется при напряже­

перекрытия).

В действптельностп увеличением напряжепля стока до величины £70. пер невозможно полностью перекрыть капал, т. е. толщина канала ни в одной точке не может стать равной нулю, так как при этом перестал бы протекать ток через канал п тогда не образовался бы перепад напряжения Uc. пер> пере­

с увеличением напряжения Uc. и . Допущение о том, что толщина канала может

равняться нулю, просто удобное приближение, позволяющее определить

рой ток стока существенно зависит от напряжения на стоке, назы­ вается крутой областью. Область, в которой эта зависимость не­ значительна, называется пологой областью вольт-амперных харак­ теристик.

При дальнейшем увеличении напряжения на стоке происхо­ дит пробой управляющего р-п перехода (см. рис. 6-5).

Следует обратить внимание на то, что для семейства стоковых характеристик в качестве параметра выбрано входное напряже­ ние Us п , тогда как для семейств характеристик биполярных тран­ зисторов параметром служит входной ток (7Э или / б ) . Такой выбор формально связан с высоким входным сопротивлением полевого

21 и

В пологой области вольт-амперной характеристики, соответ­

которое можно получить из выражения (6-1). В соответствии с урав­

лой (6-2). Это и есть ток насыщения в пологой области характери­

при неизменных напряжениях других электродов. Для транзисто­ ра с каналом д-типа эта характеристика показана на рис. 6-6. Стокозатворная характеристика представляет собой параболу, вершина которой смещена в точку — U 0 .

Отметим, что для транзистора с каналом, имеющим электронную элект­ ропроводность, полярность напряжений и направление тока стока и затвора совпадают с полярностью напряжений и направлением тока анода п управ­ ляющей сеткп электровакуумной лампы, тогда как для транзистора с каналом, имеющим дырочную электропроводность, соответствующие величины имеют противоположные знаки.

Итак, вольт-амперные характеристики полевого транзистора достаточно полно определяются величинами тока насыщения при пулевом смещении на

1 Согласно уравнению (6-1) после максимума ток / с должен начать умень­ шаться. Этот неправильный вывод объясняется тем, что модель, па основе которой получено выражение (6-1), применима go момента перекрытия капала.

214

ляются технологией изготовления приборов. В настоящее время в производ­ стве полевых транзисторов с управляющим р-п переходом преобладают два

технологических метода формирования проводящего канала: эпитакспальное наращивание канала и метод двойной дпффузпп.

При эпптакспальной технологии [Л. 72] на поверхности полупроводни­ кового кристалла, используемого в качестве подложки, наращивается эпптакспалыгый слой с противоположным типом электропроводности, который служит каналом. Затвор транзистора, прикрывающий канал сверху (рис. 6-7, а), формируется либо наращиванием нового эпптаксиального слоя, либо путем диффузии примесей. Если подложка представляет собой полу­ проводник, например,- р-типа, то наращивается канал гс-тнпа с затвором р-тнпа. При эпитакспп примеси в канале распределяются равномерно

ходит концентрацию примесей в канале. Поэтому при смещении управляю­ щего р-п перехода в обратном направлении слой объемного заряда почти

целиком распространяется в область канала. Подложка часто электрически соединяется с затвором.

При изготовлении транзисторов методом двойной диффузии, как п при эпитаксиальном наращивании, в качестве подложки используется слаболегпрованная полупроводниковая пластина [Л. 73]. В подложку (например, крем­ ний гс-тппа) проводят две последовательные дпффузип. Канал формируется при первой дпффузип, когда в пластину вводится акцепторная примесь, об­ разующая полупроводник р-тппа (рис. 6-8). При второй диффузии, которая проводится на меньшую глубину, чем первая, введением донорной прпмесп относительно высокой концентрации получают затвор re-типа. Распределение примесей при последовательных операциях представлено на рпс. 6-8, б.

Поскольку область затвора легирована более сильно, чем активная область капала, то переходный слой при обратном включении р-п перехода распро­

страняется в основном в область канала. Это повышает чувствительность тран­ зистора к изменениям напряжения на затворе. Часто подложка соединяется электрически с затвором. Изменение напряжения на подложке практически не влияет на работу транзистора, поскольку подложка обычно имеет сравни­ тельно невысокую электропроводность.

При эпитаксиальном наращивают и двойной дпффузпп получают тран­ зисторы с планарпой структурой. У них затвор прикрывает канал только со стороны поверхности кристалла.

215

Напряжение отсечки транзистора с управляющим р-п переходом можно

в переходном слое, перекрывающем капал, спадает почти по линейному за­ кону. Определив ширину перехода Wn (см. § 3-6), на основании условия (6-4)

можно показать, что напряжение отсечки выражается следующими форму­ лами:

для эшттаксиальпого транзистора со ступенчатым переходом 1

г / ° = ± ( ^ И / к а н - ф Д ) ;

для транзпетора, изготовленного двойной диффузией, при линейном рас­ пределении примесей в переходе

ская проницаемость среды в переходном слое; Лг 1 ! а ц — концентрация примеси

Знак плюс ставится для канала /э-тппа, а знак минус — для канала п-типа. Ток насыщения прп нулевом смещении/с . „ а с о определяется следующими

формулами [Л. 9]:

Формула (6-5) впервые была получена Шокли [Л.70].

216

для эпптакспальпого транзистора

Измерение величины 1С п а с о производится сравнительно про­ сто: при закороченном с истоком затворе на сток транзистора пода­ ется напряжение, величина которого превышает напряжение от­ сечки, и измеряется ток стока в режиме насыщения. При непосред­ ственном измерении напряжения отсечки U0 результаты получаются. весьма неопределенными, так как при малых значениях 1С стокозатворная характеристика транзистора имеет очень пологий уча­ сток (см. кривую на рис. 6-6). Напряжение U0 проще и более точно можно определить косвенным способом, воспользовавшись фор­ мулой

5 м а , № = (д4^)и8 .и =о-

Из графика на рпс. 6-6 видно, что касательная к стокозатворной характеристике в точке U3 „ = 0 отсекает на оси напряжения отрезок, равный 0,5 U0. Наклон касательной равен величине S u a K C . Именно на указанных особенностях стокозатворной характери­ стики (представляющей собой параболу) основано косвенное опре­ деление напряжения отсечки по формуле (6-9).

6-3. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК—ПОЛУПРОВОДНИК (МДП-ТРАНЗИСТОР)

Рассмотрим полевой транзистор структуры металл — диэлект­ рик — полупроводник (МДП-транзистор) на полупроводниковой подложке 7г-типа, разрез которого показан на рис. 6-9 [Л. 74]. При изготовлении такого транзистора обычно используется под­ ложка из кремния с удельным сопротивлением от 1 до 10 ом-см. После окисления иа поверхности подложки образуется тонкий слой диэлектрика из двуокиси кремния Si02 . Через окна в диэлектрике методом диффузии в подложке создают две сильно легированные области р-типа с поверхностной концентрацией акцепторных при­

217

между ними порядка 5—10 мкм. Если же прибор предназначен для выполнения роли резистора, у которого сопротивление посто­ янному току можно регулировать напряжением на затворе, рас­ стояние между стоком и истоком увеличивают до 25—50 мкм. Металлический слой над слоем диэлектрика, прикрывающий пластину полупроводника между истоком и стоком, служит за­ твором (рис. 6-9). Невыпрямляющпе контакты к электродам, а также

Как известно (см. § 2-4), из-за нарушения кристаллической структуры и адсорбции примесей на поверхности полупроводника возникают дефекты, которые приводят к образованию поверхпостных уровней донорного или акцепторного типа. Условия иа границе раздела кремния Si и окисла SiO., таковы, что на поверх­ ности кремнпя обычно образуются донорные уровни, способные

Рис. 6-9. Изображение поперечного сечеппя МДП-трапзнстора.

отдать электроны. Приповерхностный слой обогащается электро­ нами. Это приводит к образованию объемного заряда и соот­ ветственно электрического поля в приповерхностном слое. Энер­ гетические уровни у поверхности изгибаются вниз (см. рпс. 2-1). Если в качестве подложки используется кремний р-типа, то за­ хват дырок поверхностными уровнями и обогащение приповерх­ ностного слоя электронами приводят к образованию в этом слое канала с проводимостью га-типа. В этом случае получается МДПтранзистор со встроенным каналом, принцип работы которого рас­ смотрим несколько позже.

В пассивированной окислом подложке из кремния га-типа тоже происходит обогащение электронами приповерхностного слоя. Если затвор такого прибора соединить накоротко с истоком и подключить источник питания между истоком и стоком, то в цепи стока будет протекать пренебрежимо малый ток, представляющий собой ток утечки. Обогащение электронами приповерхностного слоя, способствующее увеличению электропроводности, не приво­

218

достичь заметной величины лишь в том случае, когда возникает канал р-типа между истоком и стоком. Такой канал можно инду­ цировать в приповерхностном слое изменением заряда на поверх­ ности подложки. На этом и основан принцип действия МДПтранзистора с индуцированным каналом.

в поверхностном слое кремния ?г-типа, представляющего собой

1 На рпс. 6-10 донорные ноны показаны в виде кружочков со знаком «+», свободные электроны и дырки без кружочков обозначены соответ­ ственно знаками «—» и «+».

219