Кондратенко Физика полупроводниковыих приборов 2009

Оглавление

1.Классификация полупроводниковых приборов и их моделей...4

2.Режимы работы транзисторов…………………………….………..9

3.Параметры биполярных транзисторов………………...….………14

4.Параметры полевых транзисторов ……………………….………32

5.Модели транзисторов для машинных расчетов………………….47

Контрольные вопросы и задания……...…………………………..51 Список рекомендуемой литературы……...………………………52

3

1.Классификация полупроводниковых приборов и их моделей

В полупроводниковых приборах используются собственно полупроводники (n- и p-типа), диэлектрики и металлы, образующие двухслойные структуры (pn-переходы, выпрямляющие и не выпрямляющие контакты “ металл–полупроводник ”), трехслойные структуры “ металл–диэлектрик –полупроводник ” и более сложные структуры из слоев с чередующимися типами проводимости. В поперечном вертикальном “ разрезе” размеры отдельных слоев в этих структурах достаточно малы (единицы и десятые доли микрометров, сотые доли микрометров – для толщины диэлектрика), исключая толщину самой пластины (150 – 250 мкм),

вприповерхностном слое которой изготавливаются приборы (рис. 1.1,а). Еще меньше контролируемые горизонтальные размеры (с точностью до единиц нанометров) для приборов, изготавливаемых с использованием новейших вариантов субмикронных технологий, что связано с возможностью обеспечения меньшего “ размытия” границ между областями с разными типами проводимости в горизонтальной плоскости в сравнении с толщиной слоев, полученных ионной имплантацией или диффузией примесей. Малые размеры отдельных областей полупроводниковых приборов способствуют созданию условий для взаимодействия свободных носителей заряда (электронов и дырок), которые могут образовывать статические области объемных зарядов, обогащенных или обедненных свободными носителями, а также потоки носителей. В основе принципа действия всех полупроводниковых приборов лежит управление такими объемными зарядами и потоками частиц [3, 4].

переходах, образованных двумя материалами с выраженной разницей в проводимости (наиболее распространенные варианты –

условия прохождения свободными носителями через переход в обоих направлениях, а рабочая область прибора совмещена с управляющей. По такому принципу работает множество

4

полупроводниковых приборов с одним, двумя или большим числом взаимодействующих переходов, включая диоды, биполярные транзисторы (БТ) и тиристоры. БТ способны усиливать мощность и являются приборами, управляемыми током, так как их основной параметр, характеризующий усиление, представляет собой безразмерный коэффициент усиления (передачи) тока базы или эмиттера. Кроме того, сам коэффициент усиления и многие остальные параметры БТ имеют выраженную зависимость от токов.

Рис. 1.1. Упрощенное изображение структуры “ металл– диэлектрик–полупроводник ” ( а) и фотография транзистора, изготовленного фирмой Samsung по субмикронной технологии с эпитаксиально выращенной областью канала (б)

Косвенное управление реализуется в приборах, в которых изменяется сопротивление проводящего канала. По такому принципу работают униполярные транзисторы (УНТ), иначе – полевые транзисторы (ПТ), в том числе транзисторы со структурой “ металл–диэлектрик –полупроводник ” – МДП (или, при использовании в качестве диэлектрика окисла – МОП) и ПТ с управляющим pn-переходом. В ПТ с управляющим pn-переходом

5

проводящий канал расположен между областями, обедненными свободными носителями заряда (ООЗ), так что изменение ширины ООЗ запертого управляющего pn-перехода приводит к изменению сечения проводящего канала. В МДП-транзисторах регулируется концентрация свободных носителей заряда в индуцированном или встроенном технологически канале. В ПТ рабочие области и области управления разделены. МДП-транзисторы – наиболее распространенные в настоящее время приборы, используемые при изготовлении интегральных схем (ИС). ПТ способны усиливать мощность и являются приборами, управляемыми напряжением, так как их основной параметр, характеризующий усиление, представляет собой крутизну по току – отношение выходного тока к входному напряжению. Кроме того, сам коэффициент усиления и многие остальные параметры ПТ имеют выраженную зависимость от напряжений.

Кроме принципа работы возможны другие признаки классификации и соответственно многочисленные разновидности полупроводниковых приборов:

∙по типу проводимости центральной области прибора (базы в БТ и канала в ПТ) различают npn- и pnp- БТ, ПТ с каналом n- и p- типа. По способу организации технологическими средствами проводящего канала различают, кроме того, МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом;

∙c точки зрения особенностей используемой технологии

различают, например, диффузионные и дрейфовые БТ; МДП-транзисторы, изготовленные по “ обычной” технологии с предельными размерами рабочих областей, составляющих доли микрометров, или по субмикронной технологии с размерами меньше 100 нм (рис. 1.1,б); МДПтранзисторы типа “ кремний-на-изоляторе” – КНИ ;

∙по функциональному назначению выделяют, в частности,

БТ; МДП-транзисторы с двумя затворами;

6

∙по техническим характеристикам приборы делятся на

группы, различающиеся, прежде всего, по рабочему диапазону частот и по мощности.

В конечных радиоэлектронных изделиях большая часть полупроводниковых приборов физически размещается в составе интегральных схем (ИС), степень интеграции которых постоянно растет и в настоящее время достигает 106–10 7 и более транзисторов на кристалл. Однако некоторые элементы вынужденно остаются дискретными из-за невозможности или нецелесообразности их

интегрального исполнения номиналами или специальными требованиями к характеристикам – малый разброс номиналов, повышенные допустимая мощность, рабочее напряжение и ток и т.д.) используются также дискретные малошумящие, или мощные, или иные специальные транзисторы. При изучении особенностей работы полупроводниковых приборов как элементов ИС надо в общем случае учитывать наличие дополнительных паразитных элементов и связей с соседними элементами на кристалле.

Для качественного описания и количественного анализа физических процессов в полупроводниковых приборах используются различные модельные представления:

∙зонные диаграммы;

∙разрезы структур с обозначением областей со свободными носителями зарядов, областей, обедненных такими носителями (ООЗ), и потоками носителей;

∙распределения потенциалов и концентрации носителей в различных частях прибора;

∙эквивалентные схемы (схемы замещения) приборов, построенные с использованием линейных и, возможно, нелинейных элементов (резисторов, конденсаторов, зависимых и независимых генераторов тока и напряжения, идеализированных диодов и т.д.);

∙другие, реже используемые представления.

Точный анализ процессов в полупроводниковых приборах, в том числе вновь создаваемых, требует использования программ приборно-технологического трехмерного моделирования TCAD,

7

которые входят в состав разных пакетов. При этом моделируется последовательность технологических процессов (ионная имплантация, отжиг, процессы, обеспечивающие получение требуемой топологии, и др.), а на выходе получаются профили распределения примесей и, после дополнительных расчетов, электрические характеристики. Это трудоемкая процедура, требующая большого времени расчетов (несколько часов – не предел) и детального знания технологических процессов. Поэтому расчеты с помощью пакетов TCAD используют, в первую очередь, технологи.

При схемотехнических расчетах, когда требуется выполнение итерационных расчетов различных вариантов, в том числе статистический анализ и анализ чувствительностей, широко используются Spice-подобные программные средства моделирования, в которых на основании моделей отдельных компонентов составляются и решаются системы нелинейных дифференциальных уравнений во временной области, либо после линеаризации – системы линейных уравнений в частотной области. Влияние размеров отдельных областей приборов, а также влияние внешних факторов (температура, режимные токи и напряжения и др.) учитываются за счет введения в модели аналитических зависимостей, зачастую носящих эмпирический или полуэмпирический характер.

Кроме машинных расчетов продолжают оставаться актуальными также инженерные расчеты с использованием приближенных аналитических выражений. Предварительные инженерные расчеты позволяют выбрать режимы работы и определить номиналы элементов схемы для достижения требуемых технических характеристик и тем самым снизить трудоемкость последующих более точных машинных расчетов. Такие инженерные расчеты производятся с помощью упрощенных эквивалентных схем (ЭС) полупроводниковых приборов, называемых также схемами замещения и справедливых обычно для какого-либо одного режима работы. Линеаризованные ЭС биполярных и униполярных транзисторов для активного режима и их параметры рассмотрены в разделах 3 и 4 данного пособия.

8

2. Режимы работы транзисторов

Из перечисленных выше полупроводниковых приборов наиболее широко используются трехполюсные приборы – транзисторы благодаря возможности реализовывать линейные и нелинейные функции в различных аналоговых, аналого-цифровых, цифровых и смешанных электронных устройствах. На основе транзисторов можно реализовать также и более простые пассивные двухполюсные приборы – диоды, а также резисторы и конденсаторы, которые в широком диапазоне изменения токов и напряжений ведут себя как нелинейные, электронно-управляемые элементы. В общем случае транзисторы при нормальном функционировании устройств могут оказываться в разных режимах работы – управляемых и неуправляемых, линейных и нелинейных, за исключением предельных режимов с большими, превышающими предельные значения протекающими токами, напряжениями и рассеиваемой мощностью. Нахождение транзисторов в этих предельных режимах должно быть исключено или ограничено во времени для предотвращения необратимого выхода из строя.

Приводимые ниже вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзисторов рассчитаны с помощью одного из пакетов автоматизированного проектирования (САПР).

Режимы работы ПТ определяются значениями напряжений затвор-исток Uзи и сток-исток Uси. Знаки этих напряжений, а также знаки параметров транзисторов с той же размерностью U0 и Uс.пер (см. ниже), могут быть разными в зависимости от типа проводимости канала транзистора, поэтому далее для простоты приведены только определения режимов работы ПТ с каналом n- типа. Для транзисторов с каналом p-типа режимы работы определяются теми же соотношениями, но с заменой знаков (или с использованием абсолютных величин).

Необходимым (но не достаточным) условием существования проводящего канала между истоком и стоком является выполнение неравенства Uзи > U0, где U0 = Uзи.отс – напряжение отсечки для ПТ с управляющим pn-переходом или U0 = Uпор – пороговое напряжение для МДП-транзисторов. На обобщенной выходной ВАХ для ПТ с

9

каналом n-типа (рис. 2.1) этот случай соответствует большей части

-U0 – напряжение перекрытия канала у стока, то проводящий канал

– непрерывный и транзистор работает в линейном режиме (как управляемое напряжением Uзи сопротивление). Если же Uси > Uс.пер, то канал у стока перекрывается и приращение тока стока прекращается, что соответствует пологой области на выходной ВАХ. В пологой области Iс слабо зависит от Uси, а зависимость Iс от Uзи приближенно описывается параболой: Iс = kпт* Uс.пер2 = Iс.нач *(1- Uзи/U0)2, где kпт – коэффициент полевого транзистора, Iс.нач – начальный ток стока. При существенном превышении Uзи над U0 квадратичная зависимость нарушается – вследствие насыщения скорости дрейфа носителей появляется линейный участок на ВАХ.

Рис. 2.1. Обобщенная выходная ВАХ ПТ с каналом n-типа (слева приведены условные графические изображения ПТ с управляющим pn-переходом, МДП-транзистора со встроенным и индуцированным каналом)

При Uзи < U0 ПТ работает в так называемой подпороговой области (режиме). Проводящий канал между истоком и стоком отсутствует, но при Uси > 0 в цепи стока протекает малый ток Iс. Более детальное исследование подпороговой области для МДП-

10