gurtov

Контрольные вопросы

GaAs, GaN и других полупроводниковых соединениях. Биполярные транзисторы с гетеропереходом ГБТ на основе GaAs также сохраняют свои позиции. В целом свыше 80% МИС СВЧ-диапазона базируются на GaAs и тройных полупроводниках AlGaAs, InGaAs на его основе [22, 27].

СВЧ-транзисторы на основе кремниевой технологии занимают 20% рынка сотовой телефонной связи. Биполярные, МДП- и Би-КМОП-транзисторы обладают хорошими характеристиками в диапазоне частот до 3 ГГц. Основные достоинства кремниевых приборов достаточно очевидны — отработанность технологии, простота интеграции аналоговых и цифровых схем на одном кристалле, низкая себестоимость. На рис. 6.40 приведена базовая структура мощного СВЧ-МДП-полевого транзистора, созданного по технологии МОП с боковой диффузией (в английской аббревиатуре LDMOS).

Контакт стока (двойная металлизация)

p+-Si подложка

Металлизация

Рис. 6.40. Базовая структура мощного СВЧ-МДП-полевого транзистора, созданного по технологии МОП с боковой диффузией [22]

МДП-транзистор, приведенный на рис. 6.40, имеет несимметричную структуру. Особенности конструкции дают возможность уменьшить выходную емкость ис- ток-сток, увеличить напряжение пробоя стока и предотвратить инжекцию горячих электронов в подзатворный окисел. Слаболегированный p-слой, выращенный на сильнолегированной подложке, предназначен как раз для этих целей, а тонкая p-об- ласть под электродом затвора определяет пороговое напряжение и напряжение отсечки. Сильнолегированная р+-область со стороны истока получила название «sinker» и обеспечивает контакт к слаболегированной р-области, находящейся под затвором.

Контрольные вопросы

6.1.Чем отличаются МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным ка-

налом?

6.2.Что такое пороговое напряжение МДП-транзистора?

6.3.Как влияют заряды в окисле и на поверхностных состояниях на пороговое напряжение?

6.4.Чему равен поверхностный потенциал при пороговом напряжении?

6.5.С чем связан наклон ВАХ в области насыщения?

6.6.Дайте определение крутизны МДП-транзистора.

6.7.Как соотносятся крутизны по затвору и подложке?

6.8.Дайте определение напряжения отсечки полевого транзистора.

Глава 6. Полевые транзисторы

Задачи

6.1.Найти пороговое напряжение VT n-канального МОП-транзистора с алюминиевым затвором, если уровень легирования подложки равен ND = 1015 см–3, толщина диэлектрика dox = 100 нм, заряд в окисле Qox = +10–8 Кл·см–2, поверхностные состояния отсутствуют.

6.2.МОП-транзистор с отношением ширины к длине канала W/L = 5, толщиной

затворного окисла 80 нм и подвижностью электронов в канале μn = 600 см2·В–1·с–1 предполагается использовать как управляемый резистор. Рассчитать превышение

затворного напряжения VG над пороговым напряжением VT, при котором сопротивление транзистора R при малых напряжениях на стоке Vd будет равно 2,5 кОм.

6.3.В запоминающем устройстве с плавающим затвором нижний изолирующий

слой имеет толщину d1 = 10 нм и относительную проницаемость ε1 = 4, параметры верхнего слоя: d2 = 100 нм и ε2 = 10. Плотность тока в нижнем слое J = σE, где

σ= 10–7 Ом–1·см–1, в верхнем слое током можно пренебречь. Вычислить измене-

ние порогового напряжения VT, считая, что к затвору приложено 10 В в течение t = 0,25 мкс.

6.4.Дан ПЗС-прибор с затворами 5×5 мкм для формирования изображения. Пороговое значение детектируемого заряда составляет 2,5·103 электронов на элемент изображения, а заряд каждого элемента считывается и обнуляется каждые 10 мс. В термодинамическом равновесии поверхностная плотность зарядов в инверсион-

ном слое равна 1·1013 см–2. Рассчитать время жизни неосновных носителей заряда τ0 в кремнии p-типа с ρ = 12 Ом·см, учитывая, что доля тепловой генерации не превышает 5 % от детектируемого порогового заряда.

6.5.Рассчитать плотность поверхностных состояний Nss, при которой скорость поверхностной генерации Is для полностью обедненной поверхности вдвое превышает скорость генерации в приповерхностной обедненной области IF. Считать, что сечения захвата носителей заряда равны σt = 10–15 см2, тепловая скорость υt = 107 cм/с, постоянная времени τ = 1 мкс, ширина ОПЗ W = 1·10–6 см.

ГЛАВА 7

ТИРИСТОРЫ

7.1. Общие сведения

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рис. 7.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р1-n1-р2-n2-прибор, содержащий три последовательно соединенных p-n-перехода (П1, П2 и П3). Обе внешние области называют эмиттерами (Э1 и Э2), а внутренние области — базами (Б1 и Б2) тиристора (рис. 7.1а). Переходы П1 и П2 называются эмиттерными, переход П3 — коллекторным переходом.

а) структура диодного тиристора; б) зонная диаграмма при нулевом напряжении; в) зависимость напряженности электрического поля от координаты

7.2. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

На рис. 7.2 показана схема триодного тиристора с управляющими электродами при его приборной реализации и характеристики тиристора. Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз (Б1 и Б2) тиристора, как показано на рис. 7.2а.

Управляющие тиристоры используются для коммутирования высоких значений токов, напряжений и мощностей. Поэтому корпуса тиристоров, как правило, являются достаточно массивными и в ряде случаев снабжены радиаторами для улучшения теплоотвода. На рис. 7.2б приведена топология корпуса тиристора малой мощности. Для коммутации мощностей важными параметрами являются время включения и выключения тиристора. Характерные значения этих времен для тиристоров лежат в микросекундном диапазоне. На рис. 7.2в в качестве примера приведены такие характеристики для триодного тиристора КУ208.

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n- или р-типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рис. 7.3. В качестве исходного материала выбрана подложка n-типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р1 и р2. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n2. Структура полученного тиристора имеет вид p1+-n1-p2-n2+.

NA,D, см–3

1020

1018

1016

1014

x

Рис. 7.3. Профиль концентрации легирующей примеси (NA,D) в эмиттерах

ибазах тиристора [10]

7.2.Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рис. 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению VG, подаваемому на первый p1-эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П2, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные

Глава 7. Тиристоры

переходы П1 и П2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n-перехода.

При достижении напряжения VG, называемого напряжением включения Uвкл, или тока J, называемого током включения Jвкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

I

4

Область

прямых

смещений

3 («+» на слое p1)

Iуд

2

IB

Vуд VB

Область

обратных

смещений («–» на слое p1)

Рис. 7.4.ВАХ тиристора:

VG — напряжение между анодом и катодом; Iу, Vу — минимальный удерживающий ток и напряжение; Iв, Vв — ток и напряжение включения

7.2.1. Феноменологическое описание ВАХ динистора

Для объяснения ВАХ динистора используют двухтранзисторную модель. Из рис. 7.5 следует, что тиристор можно рассматривать как соединение p-n-р-транзистора с n-p-n-транзистором, причем коллектор каждого из них соединен с базой другого. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом П1, и как коллектор электронов, инжектируемых переходом П2.

Э1 Б1 Б2

p1 n1 p2

n1 p2 n2

Б1 Б2 Э2

Рис. 7.5. Двухтранзисторная модель диодного тиристора

Взаимосвязь между токами эмиттера Iэ, коллектора Iк и статическим коэффициентом усиления по току α1 р1-n1-р2-транзистора и α2 n2-р1-n1-транзистора следующая. Представляя динистор как два транзистора, запишем следующие соотношения.

7.2. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Пусть IП1 — ток через переход П1. Тогда часть тока IП1, дошедшая до коллекторного перехода П3 IП1→П3, будет равна:

Учтем еще один фактор — лавинное умножение в переходе П3 через коэффициент лавинного умножения М. Тогда суммарный ток IП3 через переход П3 будет равен:

где α = α1 + α2 — суммарный коэффициент передачи тока первого (p1-n1-p2) и второго

(n2-p2-n1) транзисторов.

Выражение (7.5) в неявном виде описывает ВАХ диодного тиристора на «закрытом» участке, поскольку коэффициенты М и α зависят от приложенного напряжения VG. По мере роста α и М с ростом VG, когда значение М(α1 + α2) станет равно 1, из уравнения (7.5) следует, что ток I устремится к ∞. Это условие и есть условие переключения тиристора из состояния «закрыто» в состояние «открыто».

НапряжениепереключенияUперекл составляетутиристоровот20—50до1000—2000 В,

а ток переключения Iперекл — от долей микроампера до единиц миллиампера (в зависимости от площади).

Таким образом, в состоянии «закрыто» тиристор должен характеризоваться малыми значениями α и М, а в состоянии «открыто» — большими значениями коэффициентов α и М.

В закрытом состоянии (α — малы) все приложенное напряжение падает на коллекторном переходе П3, и ток тиристора — это ток обратносмещенного p-n-перехода. Энергетическая диаграмма тиристора в состоянии равновесия приведена на рис. 7.6, а в режиме прямого смещения («+» — на слое р1) в закрытом состоянии представлена на рис. 7.6б.

Если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы П1 и П3 будут смещены в обратном направлении, а П2 — в прямом. ВАХ тиристора в этом случае будет обычная ВАХ двух обратносмещенных p-n- переходов.

Глава 7. Тиристоры

Рис. 7.6. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в закрытом состоянии [10]:

а) распределение объемных зарядов в переходах тиристора; б) зонная диаграмма и токи в закрытом состоянии; в) зависимость напряженности электрического поля от координаты

7.2.2.Зонная диаграмма и токи диодного тиристора

воткрытом состоянии

Воткрытом состоянии (α — велики) все три перехода смещены в прямом направлении.

Это происходит вследствие накопления объемных зарядов в базах n2 и p2 тиристора. Действительно, при больших значениях коэффициента передачи α2 электроны, инжектированные из n2-эмиттера в р2-базу, диффундируют к p-n-переходу коллектора П3, проходят его и попадают в n1-базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П1. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n1-базы, образует отри-

цательный избыточный заряд.

7.2. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Инжектированные дырки из эмиттера р1 в базу n1 диффундируют к p-n-переходу коллектора П3, проходят через него и попадают в базу p2. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П2. Следовательно,

вбазе p2 происходит накопление избыточного положительного заряда.

Врезультате накопления избыточного положительного заряда в базе p2 и отрицательного заряда в базе n1 переход П3 смещается в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре.

На рис. 7.7 приведена зонная диаграмма тиристора с накопленным объемным

зарядом в обеих базах n1 и р2.

Величина падения напряжения в прямом участке ВАХ составляет прямое напряжение на трех прямосмещенных p-n-переходах и имеет значение порядка 2—3 вольта.

Прямое смещение на p-n-переходах обусловлено на П1 и П2 за счет внешнего напряжения, а на П3 за счет объемных зарядов в базах Б1 и Б2.

а) распределение объемных зарядов в переходах тиристора; б) зонная диаграмма и токи в открытом состоянии; в) зависимость напряженности электрического поля от координаты

Глава 7. Тиристоры

Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния: малый ток, большое напряжение, высокое сопротивление и большой ток, малое напряжение, малое сопротивление. Переход тиристора из закрытого в открытое состояние связан с накоплением объемного заряда в базах Б1 и Б2 из-за роста значения коэффициента передачи эмиттерного тока α и коэффициента умножения М.

То есть рост α, М с ростом тока J и напряжения VG в тиристоре является причиной перехода тиристора из закрытого состояния в открытое.

В открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживаются избыточные заряды в базах, необходимые для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей прямому его включению. Если же ток уменьшить до значения Iу, то в результате рекомбинации избыточные заряды в базах уменьшатся, p-n-переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на p-n-переходах, уменьшатся коэффициенты передачи α и тиристор перейдет в закрытое состояние.

Таким образом, тиристор в области прямых смещений (прямое включение) является бистабильным элементом, способным переключаться из закрытого состояния с высоким сопротивлением и малым током в открытое состояние с низким сопротивлением и большим током, и наоборот.

7.2.3.Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера

Как уже отмечалось ранее, зависимость коэффициента передачи эмиттерного тока α от напряжения, приложенного к тиристору, является причиной переключения тиристора. Рассмотрим, какие физические механизмы могут обеспечить такую зависимость. В области малых токов основная причина зависимости α от тока I связана с рекомбинацией в эмиттерном переходе. При наличии рекомбинационных центров в области пространственного заряда эмиттерного перехода прямой ток такого перехода в области малых прямых смещений — рекомбинационный Jрек. Зависимость этого тока от напряжения экспоненциальная, но показатель экспоненты в два раза меньше, чем для диффузионного тока JpD. Напомним, что эти процессы подробно рассматривались в разделе 4.3.2, где изучалось влияние рекомбинации на прямой ток реальных диодов.

Коэффициент передачи эмиттерного тока α равен произведению коэффициента переноса κ и коэффициента инжекции γ. При наличии рекомбинационной компоненты тока в p-n-переходе выражение для коэффициента инжекции γ будет следующим:

По мере роста прямого напряжения на p-n-переходе диффузионная компонента тока JpD начинает превалировать над рекомбинационной Jрек. В терминах эффективности эмиттера γ это эквивалентно возрастанию эффективности эмиттера γ,

аследовательно, и увеличению коэффициента передачи эмиттерного тока α = γ·κ. На рис. 7.6 показана зонная диаграмма эмиттерного перехода, которая иллюстрирует конкуренцию двух токов — рекомбинационного и диффузионного в токе эмиттера,

ана рис. 7.8 — типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера Iэ при наличии рекомбинационных центров в ОПЗ p-n-переходов.