Г Л А В А 5. Контактные явления в полупроводниках 239

Г Л А В А 5

Практические применения контактных явлений в полупроводниках

(практические применения эффекта поля в полупровоодниках, МДП транзисторы с изолированным затвором и управляющим p-n переходом, полевой транзистор с барьером Шоттки на основе арсенида галлия; физические процессы происходящие в системе с двумя p-n переходами, движение носителей через переходы и базовую область, коэффициенты инжекции и переноса, модуляция толщины базы; математическая модель Молла – Эберса биполярного транзистора, ее применения)

Явления, происходящие на границах между материалами с различными электрофизическими свойствами лежат в основе работы многих полупроводниковых приборов. Наибольшее распространение получили транзисторы, представляющие приборы, позволяющие усилить электрический сигнал. Можно выделить две основные группы транзисторов:

полевые транзисторы, усиливающие напряжение входного сигнала;

биполярные транзисторы, позволяющие усиливать сигнал по току, или по мощности.

Рассмотрим далее физические основы функционирования различных полупроводниковых приборов.

5.1. Полевые транзисторы

В качестве примера практического использования эффекта поля рассмотрим его применение для создания полупроводниковых приборов. В таких приборах осуществляется управление величиной электрического сопротивления индуцированного или заранее созданного (встроенного) проводящего канала полупроводника за счет приложения поперечного внешнего электрического поля. Такие структуры получили общее название полевые транзисторы.

5.1.1. Мдп-транзисторы с изолированным затвором

Напомним, что МДП-структурой называется трехслойная (металл-диэлектрик-полупроводник) структура, в которой достигается управление поверхностной проводимостью полупроводника за счет энергии поперечного внешнего электрического поля.

Следовательно, МДП-транзистор - это полупроводниковый прибор с управляемой внешним напряжением поверхностной проводимостью.

В транзисторах, выполненных на подложках из Si, в качестве диэлектрика используется двуокись кремния SiO₂. Такие транзисторы часто называют МОП-транзисторами.

Различают две конструктивные разновидности МДП транзисторов с изолированным затвором:

с индуцированным каналом;

со встроенным каналом.

В транзисторах с индуцированным каналом канал формируется за счет электростатической индукции при подаче напряжения смещения на затвор, а в транзисторах со встроенным каналом канал формируется уже при изготовлении транзистора.

Физические структуры МДП-транзисторов с изолированным затвором и каналами n-типа проводимости, схемы их включения и их условные графические изображения изображены на рис. 5.1,аи б, соответственно.

Транзистор представляет собой кристалл кремния (например, p-типа), у поверхности которого методами диффузии или ионной имплантации с применением фотолитографии формируются две областиn-типа проводимости. Одна из этих областей называетсяистоком, другая -стоком. Сверху области истока и стока металлизируются (обычно алюминием). На границе междуn- иp-областями возникают дваp-nперехода - истоковый и стоковый. Область кристалла между истоковым и стоковымp-nпереходами называетсяканалом. Поверхность кристалла в промежутке между стоком и истоком защищается тонким (0,2..03 мкм) слоем окисла SiO₂ и также покрывается пленкой металла. Этот электрод транзистора называютзатвором. Обратная сторона кристалла металлизируется и электрически соединяется с электродом истока.

При работе прибора на сток (С) подается запирающее напряжение, то есть плюс источника напряженияU_си. На затвор (З) транзистора с индуцированным каналом подается плюс источника напряженияU_зи, а на затвор транзистора с встроенным каналом подается отрицательное напряжение U_зи. Все напряжения подаются относительно истока (И), соединенного с обратной стороной кристалла.

Физические процессы в МДП транзисторе с индуцированным каналом. Рассмотрим работу этого прибора. ЕслиU_зи=0, то сопротивление канала между стоком и истоком очень велико, так как стоковыйp-nпереход оказывается под обратным смещением.

Для того, чтобы канал (промежуток сток-исток) стал проводящим, на электрод затвора подается положительное напряжение U_зи>0. В результате под затвором сначала образуется обедненная область, а при величинеU_зиU_о=2_sm под затвором образуется инверсионная область, которая соединяетn-области истока и стока проводящим каналом. Такой проводящий канал называетсяиндуцированным каналом. НапряжениеU_оназываетсяпороговым напряжением и в зависимости от вида применяемого диэлектрика для различных типов МДП-транзисторов на основе кремния достигает величины 0,4...1,5 В.

Структура проводящей подзатворной области показана на рис. 5.2, а. Непосредственно под затвором находится проводящий инверсионный слой. За инверсионным слоем вглубь полупроводника следует слой, обедненный носителями заряда. За обедненным слоем следует объемный слой подложки полупроводника с дырочным типом проводимости. Таким образом, мы видим, что вблизи поверхности подложки в подзатворном слое возникn-pпереход. Электронная область этого перехода создает проводящий канал МДП транзистора с индуцированным каналом.

Итак, после образования проводящего канала сопротивление полупроводника между истоком и стоком уменьшается. Если теперь между стоком и истоком приложить запирающее напряжение U_си, то носители заряда (в данном случае – электроны) перемещаются по проводящему каналу и создают ток стокаI_c. При этом изменением напряжения на затвореU_зможно уменьшать или увеличивать ширину канала, тем самым регулируя ток стокаI_с.

Физические процессы в МДП транзисторе со встроенным каналом. В некоторых типах МДП-транзисторов применяется встроенный канал. Такой канал возникает, когда концентрация электронов, поступивших из диэлектрика, достаточна для образования инверсионного слоя, существующего даже при нулевом напряжении на затворе. Вследствие подачи запирающего напряжения на затвор, в подзатворной области полупроводника создается режим обеднения, приводящий к сужению проводящего канала, а, следовательно и к увеличению его сопротивления (рис. 5.2,б).

Если теперь между стоком и истоком приложить запирающее напряжение U_си, то носители заряда (в данном случае – электроны) перемещаются по проводящему каналу и создают ток стокаI_c. При этом изменением напряжения на затвореU_зможно уменьшать или увеличивать ширину канала, тем самым изменяя ток стокаI_с.

Статические характеристики МДП-транзисторов с изолированным затвором и индуцированным каналом.Семейство графиков зависимостей, называемойпередаточной (управляющей) характеристикой, при различных напряжениях насыщения стокаU_снприведено на рис. 5.3,а. Видно, что при напряжении на затвореU_з=0 ток стокаI_стакже равен нулю. При напряжениях на затвореU_зи, превышающих пороговоеU₀, ток стокаI_сначинает возрастать в с ростом напряженияU_зи, причем тем быстрее, чем больше напряжениеU_си:

, (5. 1)

где b≈0,1 мА/В²–удельная крутизна,U_{си нас} – напряжение насыщения (граница между режимами линейным и насыщения, см ниже), k – коэффициент модуляции длины канала.

Зависимость тока стока I_с в зависимости от обратного напряженияU_сина стокепри различных напряжениях на затвореU_зиприведена на рис. 5.3,б. Такие графики называютсявыходными характеристикамитранзистора. На графиках можно выделить три участка. УчастокI называетсякрутой участок. При небольших напряженияхU_си на электроде стока выходная характеристика является практически линейной и аппроксимируется выражением

. (5. 2)

Сопротивление канала R_кна крутом участке характеристики можно рассчитать из приближенного выражения

. (5.3)

Линейность выходной характеристики наблюдается вплоть до напряжения насыщения U_сн, равного

U_сн=(U_зи –U₀). (5.4)

Значение тока насыщения I_снможно рассчитать по формуле (5.1), подставив в неё значениеU_сн из (5.4):

. (5.5)

Участок II называетсяпологим участком выходной характеристики. Причина появления пологого участка заключается в том, что при напряженияхU_cи >U_сн сужается проводящий канал у стоковогоp-nперехода за счет увеличения ширины запирающего слоя в области обратносмещенногоn⁺-p перехода стока. Говорят, что в данном случае транзистор работает в режиме насыщения с перекрытым каналом, а на зависимостиI_c=f(U_си) наблюдаетсяэффект насыщения тока стока. Величина тока насыщенияI_снзависит от напряжения на затворе: чем вышеU_зи, тем шире канал и тем больше ток насыщения. На пологом участке выходная ВАХ аппроксимируется соотношением (5.1), из которого следует, что ток стокаI_с незначительно возрастает вследствие увеличения напряжения на стокеU_си.

Участок III называетсяучастком пробоя выходной характеристики. В данном случае происходит пробойp-nперехода стока, на который подается высокое обратное напряжениеU_си.

Следовательно, подобную структуру можно использовать для усиления сигналов, то есть напряжением на затворе (во входной цепи) можно управлять током стока, являющимся током, протекающим в выходной цепи.

Статические характеристики МДП-транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом.

Управляющая характеристика, при различных напряжениях насыщения стокаU_сн, приведена на рис. 5.4,а. Видно, что при напряжении на затвореU_зи=0 ток стокаI_стакже равен нулю. При напряжениях на затвореU_зи, превышающихнапряжение отсечкиU_отс, ток стокаI_сначинает возрастать в с ростом напряженияU_зи, причем тем быстрее, чем больше напряжениеU_си:

, (5. 6)

где I_{с max}– значение тока стока приU_зи =0,U_отс- напряжение отсечки.

Выходные характеристики представлены на рис. 5.4,б. По форме они не отличаются от аналогичных характеристик, приведенных для МДП транзистора с индуцированным каналом.

Крутой участок Iхарактеризуется линейной зависимостью тока стока вплоть до напряжения насыщения, значение которого определяется из выражения (5.4).

Причина появления на выходной ВАХ пологого участка II, как и в предыдущем случае, связана с сужением проводящего канала у стоковогоp-nперехода за счет увеличения ширины запирающего слоя вp-области обратно-смещенногоn⁺-p перехода стока,.

Участок III являетсяучастком пробоя p-nперехода стока, на который подается высокое обратное напряжениеU_си.