Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Учебное пособие
.pdf
5.4. Варикап
Варикап – диод, предназначенный для работы в режиме управляемой
барьерной ёмкости Cб.
При обратном напряжении на p-n переходе ток в нём очень небольшой
и, если есть переменная составляющая Nд, существует ёмкостная
составляющая обратного тока I
. Ёмкостный обратный ток тем больше, чем
обр
больше Cб и выше частота переменной составляющей. Его величина может
намного превосходить активную составляющую обратного тока. Поэтому p-n
переход при обратном напряжении можно использовать, как ёмкостный
элемент. При прямом напряжении это невозможно, т.к. в этом случае
появляется на несколько порядков больший активный прямой ток.
Подставив (26) в (16) с учётом того, что при обратном напряжении
= к0 + U
к
, получим:
обр
½
Cб = [2εε0(к0 + U
)(Nа + Nд)/qNаNд]
обр
. (28)
Из (28) следует, что барьерной емкостью можно управлять, изменяя
обратное напряжение на p-n переходе. Таким образом, p-n диод при U
обр
является элементом с ёмкостью Cб, которую можно изменять.
При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их
распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость Cб(U
) была
обр
более сильной. В общем случае эта зависимость описывается выражением
Cб = [2εε0(к0 + U
)(Nа + Nд)/qNаNд]
обр
m
, (29)
где m = 0,3…1.
Схема включения варикапа приведена на рис. 19. Здесь варикап
Рис. 19
включён как ёмкость последовательного колебательного контура. На него
подаётся управляющее обратное напряжение U
. Изменяя это напряжение,
упр
можно настраивать колебательный контур на необходимую резонансную
частоту ω0 = (1/√LC).
31
5.5. Диоды на основе p-i-n структуры
Значительно улучшить импульсные, частотные и другие свойства
диодов позволяет использование p-i-n структуры. В такой структуре между p
и n областями располагается i-область собственного полупроводника, рис. 20.
Рис. 20
Собственный полупроводник обладает на несколько порядков более
низкой концентрацией свободных электронов и дырок по сравнению с p- и
n- областями. Поскольку в таком полупроводнике примесей нет, эта область
искусственно расширяет область неподвижного объемного заряда ионов при
сохранении концентрации примесей в слоях p и n. В результате многократно
возрастают w и сопротивление закрытого состояния, а также многократно
уменьшается барьерная ёмкость.
Чтобы сохранить высокие значения градиентов концентрации ≈ dn/dw
и ≈ dp/dw и, тем самым, сохранить большим диффузионный прямой ток,
толщину i-области l делают не слишком большой:
l < L, (30)
где L – диффузионная длина – среднее расстояние, на котором концентрация
диффундирующих в i-область носителей уменьшается в e раз из-за
рекомбинации.
P-i-n диоды являются на сегодня одними из наиболее совершенных
электронных ключей. Их обратный ток, барьерная ёмкость и сопротивление
открытого состояния минимальны (у идеального ключа все эти параметры
равны нулю).
5.6. Свето- и фото-диоды. Солнечные батареи
Устройство свето- и фото-диодов в целом одинаково, рис. 21. Одна из
областей их p-n перехода очень тонкая, что позволяет возникающему в
переходе свету излучаться в окружающее пространство (светодиод) или
позволяет внешнему свету проникать в переход (фотодиод).
32
В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой
рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии.
Рис. 21
Интенсивная рекомбинация и свечение возможны только при
протекании в светодиоде прямого тока от внешнего источника.
Из (2) следует, что длина волны и цвет возникающего света
определяются выражением:
λ = hc/Wз , (31)
где h – постоянная Планка, c – скорость света, Wз – ширина запрещённой зоны
полупроводника. Согласно (31), цвет свечения определяется шириной
запрещённой зоны полупроводника.
Кремниевые диоды излучают в инфракрасном, невидимом глазу
диапазоне. Кремниевые светодиоды широко применяются, когда их работа не
должна видимым светом мешать человеку, например, в пультах управления.
Светодиоды на основе фосфида галлия производят красное свечение, на
основе карбида кремния – жёлтое и т.д. Решена проблема получения любого
цвета свечения. В частности, три различных светодиода – красный, зелёный и
синий решают эту проблему в пикселах светодиодных экранов.
Быстро развивается теория и практика гетеропереходов – p-n переходов
с полупроводниками различного типа в p- и n-областях. Им свойственно
особенно высокое разнообразие возможных электрических и
светотехнических характеристик.
В значительной степени решена проблема высокого к.п.д. светодиодов,
который достигает нескольких десятков процентов. Поэтому, а также
благодаря исключительно высокой надёжности, светодиоды интенсивно
вытесняют лампы накаливания и газонаполненные приборы в осветительной
и сигнальной аппаратуре.
В фотодиодах внешний свет проникает в p-n переход и, если
выполняется соотношение (31), вызывает в нём генерацию электроннодырочных пар. Поскольку в переходе имеется собственное электрическое
поле, которое является ускоряющим для неосновных носителей, последние
33
разводятся полем в противоположные стороны и, тем самым увеличивают
дрейфовую составляющую тока. Равновесие диффузионного и дрейфового
токов нарушается и в режиме с замкнутой внешней цепью в ней появляется
фототок. В режиме с разомкнутой внешней цепью на освещённом p-n
переходе появляется фото-э.д.с., также возникающая в результате нарушения
равновесного состояния. В обоих случаях фотодиод можно использовать для
регистрации падающего на него света. В частности, кремниевый фотодиод
помещают на управляемых внешним пультом электронных устройствах. Если
в пульте применён кремниевый светодиод, энергия квантов его света, согласно
(2) и (31), достаточна для генерации электронно-дырочных пар.
Поскольку в освещаемом p-n переходе происходит преобразование
световой энергии в электрическую, такие контакты используются в
солнечных батареях. При идеально прозрачной атмосфере и в космосе
мощность светового потока от Солнца на Земле достигает 1,4 кВт/м2.
6. СТРУКТУРА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК.
МДП-ТРАНЗИСТОР
6.1. Основные свойства МДП-структуры
МДП-структура содержит металлический слой, слой диэлектрика и слой
полупроводника, рис. 22. Если используется самый распространённый
полупроводник – кремний, то диэлектрик, как правило, двуокись кремния
SiO2.
Рис. 22
Такой диэлектрик на поверхности кремния легко создаётся путём его
окисления. Диэлектрический слой всегда очень тонкий, что обеспечивает
проникновение электрического поля в полупроводник при подаче на
структуру внешнего напряжения Uвн. Полупроводник может быть как n-, так и
p-типа.
34
Пусть на МДП-структуру с полупроводником p-типа подано Uвн с
полярностью: минус к металлу, плюс к полупроводнику (на металл подан
потенциал, меньший, чем на p-полупроводник), рис. 22б. Электрическое поле
в приповерхностном слое p-полупроводника будет направлять дырки в
сторону, диэлектрика и вытеснять электроны из той области. Концентрация
дырок в этом слое p+ будет повышенной (режим обогащения).
При подаче Uвн плюсом к металлу, рис. 22в, концентрация дырок в
приповерхностном слое p- будет пониженной из-за вытеснения отсюда дырок
созданным полем металлического слоя (режим обеднения). В то же время
концентрация свободных электронов в приповерхностном слое будет расти изза уменьшения вероятности их рекомбинации с дырками (см. (13)).
В результате уменьшения концентрации дырок и роста концентрации
свободных электронов, при некотором пороговом напряжении U0 их
концентрации сравняются и будут равны собственной концентрации ni,
рис. 22г.
С дальнейшим ростом напряжения концентрация свободных электронов
в приповерхностном слое превысит концентрацию дырок, и тип проводимости
в нем сменится с дырочного на электронный (режим инверсии).
Изменение состояния проводимости полупроводника под действием
электрического поля называется полевым эффектом. Транзисторы,
использующие полевой эффект, называются полевыми транзисторами.
6.2. МДП-транзистор с индуцированным каналом
В МДП-транзисторах используются свойства МДП-структуры, т.е. все
их разновидности относятся к классу полевых транзисторов. В современной
электронике в основном используются именно такие транзисторы [1; 5].
Устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом поясняет
рис. 23а.
Рис. 23
35
Здесь МДП-структура дополнена двумя снабженными металлическими
контактами «островками» n+-типа, между которыми может возникать канал
n-типа (рис. 23б). Эти области называют стоком и истоком. Внутренние
контакты с помощью обычных, омических контактов с металлом выведены на
поверхность, что позволяет соединять их с внешними цепями. Благодаря
высокой степени легирования контакты обладают ничтожным
сопротивлением.
На рис. 23,б изображён МДП-транзистор с необходимыми для работы
подключениями. Здесь используется основная схема включения – с общим,
или заземлённым истоком. Это название отражает очевидное: в такой схеме
исток заземлён и является общим узлом для источников Uзи и Uси.
При подаче на затвор положительного напряжения Uзи, превышающего
пороговое напряжение U0, обеспечивается режим инверсии МДП-структуры.
В подзатворной области появляется слой полупроводника n-типа – канал.
Канал электрически соединяет исток и сток. Поэтому, если подано
напряжение на канал Uси, в канале появится ток канала. Ток канала, ток
истока и ток стока равны между собой. Этот ток принято называть током
стока Iс. По характеру I
Чем больше U
является дрейфовым током основных носителей.
с
, тем больше толщина канала, концентрация свободных
зи
электронов в нём и поэтому больше ток Iс.
При любых U
< U0 режим МДП-структуры – обогащение или
зи
обеднение. Канала нет, исток и сток разделены полупроводником p-типа, ток
между ними невозможен (закрытое состояние транзистора, отсечка).
Полное название такого транзистора – МДП-транзистор с
индуцированным каналом n-типа - обусловлено тем, что под воздействием
поля затвора в нем появляется (индуцируется) канал со свойствами
полупроводника с электронной проводимостью.
Существуют и p-канальные МДП-транзисторы. В них используется
МДП структура с полупроводником n-типа. Р-канал появляется при
отрицательном напряжении U
< U0. Такие транзисторы менее
зи
распространены, т.к. подвижность дырок меньше, чем подвижность
свободных электронов. При равных прочих условиях в n-канальном
транзисторе ток в несколько раз больше.
6.3. Основные параметры МДП-транзистора
Основным средством описания электрических свойств МДПтранзистора является система параметров. Параметры используются, в
частности, при компьютерном моделировании, являющимся главным
«инструментом» разработки, изготовления и эксплуатации электронных
устройств.
Одним из главных параметров МДП-транзистора является пороговое
напряжение U0. От него зависят напряжение, мощность, размеры и стоимость
36
источника питания МДП интегральных схем и отдельных МДП-транзисторов.
0
МПП0
МП0
С
Nq2
U
МП
0
дП
,
Стоимость, размеры и масса источника могут достигать половины этих
характеристик самого электронного устройства (например, батареи гаджета).
Пороговое напряжение определяется свойствами материалов
МДП-структуры и её главным размером – толщиной диэлектрического слоя d:
где
– контактная разность потенциалов металл – полупроводник;
, (32)
d – толщина диэлектрика;
q – элементарный электрический заряд;
– абсолютная электрическая постоянная;
– относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника
и диэлектрика;
N – концентрация примеси в полупроводнике.
Большинство величин в (32) диктуются общими особенностями
современной технологии – выбором типа полупроводника (кремний),
диэлектрика (SiO2), металла (алюминий). Поэтому основным способом
уменьшения U0 является уменьшение d. На сегодня d составляет доли
нанометра, т.е. всего несколько межатомных расстояний. В результате
достигнуты U0 ≈ 0,5 В. Это позволяет использовать источники питания с
напряжением менее 1 В.
Другим важнейшим параметром МДП-транзистора является барьерная
ёмкость затвор-канал Cзк:
C
= ε0εдS/d = ε0εдWL/d, (33)
зк
где S – площадь затвора, W и L – ширина и длина затвора.
От C
зависит время отпирания и запирания транзистора, т.е. его
зк
импульсные и частотные свойства. Поэтому W и L должны быть
минимизированы. Однако это противоречит обеспечению необходимого тока
в канале Iс. В мощных МДП-транзисторах это противоречие разрешается
увеличением W до нескольких метров, чем увеличивается площадь
поперечного сечения канала и понижается плотность тока в нём.
Примером мощного МДП-транзистора является транзистор с
I
= 10 А, W = 2 м, L = 1 мкм. Проблема столь большой ширины канала в
c макс
таких транзисторах решается изготовлением канала в форме меандра, рис. 24.
Здесь изображены виды сверху на МДП-транзисторы с обычным (а) и
увеличенным (б) отношением W/L.
Важным параметром является также удельная крутизна B [А/В2]. Она
характеризует усилительные свойства МДП транзистора – зависимость
полезного выходного тока Iс от входного напряжения Uзи. В первом
приближении эта зависимость описывается двумя уравнениями:
37
Iс = 0,5B(Uзи - U0)2, при Uзи > U0 (открытое состояние)
(34)
Iс = 0 , при Uзи < U0 (закрытое состояние)
Рис. 24
Очевидно, что ток в канале Iс тем больше, чем больше коэффициент
подвижности носителей в канале µ, его ширина W и проницаемость
диэлектрика εдε0. Естественно также, что Iс уменьшается с увеличением
толщины диэлектрика d (слабеет поле) и увеличением длины канала (растёт
его сопротивление). Поэтому
B = µεдε0W/d·L. (35)
Главный коэффициент, характеризующий усиление электронных
элементов и устройств – коэффициент усиления по мощности Кр = Р
вых/Рвх
. У
МДП-транзисторов Кр может быть очень большим. Это связано с тем, что вход
транзистора, затвор отделён (изолирован) от канала диэлектрическим слоем.
При постоянном входном напряжении Uзи входного тока Iз практически нет, и
Рвх = UзиIз ≈ 0. Однако при переменном входном напряжении из-за наличия
ёмкости затвор-канал появляется комплексный входной ток. Этот ток и,
следовательно, входная мощность тем больше, чем быстрее изменяется Uзи
при отпираниях и запираниях транзистора или чем выше частота
усиливаемого сигнала.
6.4. Статические характеристики МДП-транзистора
Статическими характеристиками называют графики зависимости
одних постоянных напряжений и токов электронных элементов и цепей от
других их напряжений и токов. Примерами статических характеристик
являются ВАХ диода Шотки или p-n диода.
Транзистор всегда включается как четырёхполюсник, имеющий вход и
выход. Входные характеристики связывают входные напряжения и токи,
выходные характеристики связывают выходные напряжения и токи.
38
Проходные, или переходные характеристики связывают входные токи или
напряжения с выходными.
Примером статической характеристики является проходная
характеристика МДП-транзистора, рис. 25. Она соответствует зависи-
мостям (34). Т.к. она связывает ток стока и напряжение на затворе, её
называют также стоко-затворной характеристикой.
Рис. 25
На рис. 25 штриховой линией изображена также стоко-затворная
характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа. В таком
транзисторе пороговое напряжение отрицательное, канал существует при
отрицательных Uзи.
На рис. 26 изображены выходные характеристики МДП-транзистора.
Рис. 26
39
Они отражают зависимость выходного тока Iс от выходного напряжения
Uси. Этот ток зависит ещё и от входного напряжения Uзи. Поэтому выходные
характеристики обычно изображаются в виде семейства характеристик.
Каждая из характеристик семейства соответствует некоторому неизменному
Uзи. В результате семейство характеристик отображает обе важнейшие
зависимости:
Iс = f1(Uси) и Iс = f2(Uзи).
Выходные характеристики МДП-транзисторов имеют два характерных
участка. Первый участок соответствует малым значениям Uси. В этой области
канал по всей своей длине одинаков, его сопротивление Rк определяется
только неизменным значением Uзи и поэтому Rк = const. При неизменном
сопротивлении зависимость тока в канале Iс от напряжения на канале U
си
подчиняется закону Ома. Отсюда название этого участка – омический, или
резистивный. Он представляет собой отрезок прямой из начала координат.
С дальнейшим увеличением Uси форма канала начинает изменяться, рис.
27. Потенциал истока в схеме с общим истоком равен нулю и неизменен.
Поэтому разность потенциалов затвор-канал и сила поля вблизи истока также
неизменны. Канал здесь сохраняет исходную толщину и концентрацию
свободных электронов. Вблизи стока, потенциал которого равен Uси, разность
потенциалов затвор-канал равна Uзи - Uси. Поэтому с ростом Uси поле затвора
здесь ослабевает. Канал вблизи стока становится тоньше, Rк увеличивается.
Омический участок характеристики сменяется участком насыщения. Ток
стока не уменьшается, так как одновременно растет напряжение между стоком
и истоком, увеличивающее скорость дрейфа носителей по каналу. При
дальнейшем повышении Uси произойдет пробой p-n-перехода сток-подложка,
и это приведет к резкому повышению тока стока за счет обратного лавинного
тока перехода.
Рис. 27
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]