Повышение концентрации примесей под контактом уменьшает толщину запорного слоя настолько, что носители проникают через барьер почти свободно вследствие туннельного эффекта.

Таким образом, при контактировании с различными металлами контакт будет практически омическим, если полупроводник сильно легирован. Это явление используется при изготовлении полупроводниковых приборов.

Глава 5. ПОЛЕВЫЕ ПРИБОРЫ

В полевых приборах управление проводимостью осуществляется наведением или вытеснением подвижного электрического заряда электрическим полей в тонком слое полупроводника. Разработка полевых приборов последовала за освоением технологии биполярных транзисторов. Полевые приборы не конкурируют с биполярными. Они дополняют друг друга и расширяют возможности транзисторной электроники.

Трудности создания стабильных полевых приборов с заданными параметрами были связаны с необходимостью уменьшения плотности рекомбинационных ловушек на поверхности полупроводника. При наличии большого числа рекомбинационных центров типа примесей, нарушений регулярной кристаллической структуры и поверхностных состояний значительная часть наведенного заряда является неподвижной и управление проводимостью поверхностного слоя неэффективным.

На первом этапе трудности были обойдены изобретением транзистора с управляющим р-п переходом. В этом приборе модулируется толщина проводящего канала, достаточно удаленного от поверхности, что ослабляет эффекты, связанные с поверхностными ловушками. Развитие технологии диффузии примесей через фотолитографические маски, эпитаксиального выращивания пленок привело к стабильной технологии полевых приборов с управляющим р-п переходом.

Прогресс в разработке полевых транзисторов с изолированным затвором наступил в 60-е годы после установления экспериментального факта, что поверхность кремния пассивируется при выращивании на ней пленки двуокиси кремния SiO2 . Плотность свободных поверхностных состояний под пленкой резко сокращается (с 1015 до 1011 ом –2). Была предложена конкретная структура полевого прибора на кремнии металл- окисел-полупроводник (МОП; MОS). В этом приборе металлический управляющий электрод индуцирует или устраняет подвижный электрический заряд в поверхностном слое монокристаллического кремния под пленкой окисла. Рассмотрим характеристики и свойства полевых приборов обоих типов.

5.1. Транзистор с управляющим р-п переходом

Рассмотрим полевой транзистор в виде бруска полупроводникового кристалла с нанесенными на противоположные поверхности управляющими р-п переходами (рис. 5.1). Для определенности проводимость кристалла будем считать электронной.

Один из концов бруска считается истоком, второй – стоком. Р-области являются затвором. К затвору прикладываются управляющее напряжение, смещающее переход в обратном направлении uзи = uз ≤ 0. При малых напряжениях на стоке относительно истока вольтамперная характеристика приближенно линейна и определяется омическим сопротивлением канала. Увеличение смещения на затворе сужает канал, расширяя запорные слои р-п

смещение на р-п переходе меньше up0, изображена на рис.5.1. У истока смещение, равно напряжению на затворе 0 > uз > up0, (up0 < 0). У стока ucи = uс

> 0 и смещение на р-п переходе больше uзс = uз – uс, uс > 0 . Сужение канала с ростом uс приводит к нелинейной вольтамперной характеристике ic = f (uc ).

При напряжении uзc = up0 , когда uc = uc0 = uз – up0 , канал смыкается у стокового конца и ток достигает насыщения. Дальнейший рост тока при uc > uc0 обусловлен увеличением области смыкания и укорочением управляемой напряжением на затворе части канала. Примерный вид вольтамперной характеристики изображен на рис. 5.2.

В обычных рабочих режимах напряжение на затворе относительно канала отрицательно (uз < 0, uc > 0) и ток затвора есть обратный ток р-п перехода. Для кремниевых транзисторов ток затвора очень мал.

iс

uз = 0

uз = 0,2upo

uз = 0,5upo

uc /|upo|

Рис.5.2. Вольтамперная характеристика транзистора с управляющим р-п переходом

5.2. Вольтамперная характеристика

Найдем аналитические выражения для вольтамперной характеристики полевого транзистора с управляющим р-п переходом, представляющего брусок с размерами, указанными на рис. 5.3а.

Вольтамперную характеристику транзистора можно вычислить, используя связь напряжения на р-п переходе с шириной запорного слоя, полученную при анализе барьерной емкости р-п перехода (раздел 2.3). В полевом транзисторе управляющий р-п переход затвора является резким и распределение некомпенсированного заряда примесей в некотором поперечном сечении прибора имеет вид рис.5.3б (см. также рис. 2.5а).

Выражение u 1 n x x dx (2.30) перепишем, подставляя

S p

В первом приближении ток насыщения можем считать постоянным и при uc > uз – up0. В действительности ток растет с увеличением напряжения на стоке вследствие эффекта укорочения канала.

Нормированные вольтамперные характеристики полевого транзистора, вычисленные по формулам (5.12) и (5.14) приведены на рис. 5.4.

│ic ⁄ico│

Рис. 5.4. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим р-п переходом

При выводе выражения (5.12) предполагалось, что подвижность электронов во всех проводящих областях канала остается постоянной и соответствует ее значению для небольших напряженностей электрического поля. В действительности при подходе к режиму насыщения канал сужается, напряженности возрастают, и подвижность электронов падает. На рис. 5.5 приведены экспериментальные зависимости средней скорости электронов от напряженности поля для кремния.

V [смсек]

Рис. 5.5. Зависимость скорости носителей тока от напряженности поля

При напряженности поля больше 105 В/см скорость электронов достигает 107 см/сек и остается постоянной. То же получается для дырок при несколько меньшей предельной скорости, Аппроксимируя кривые рис. 5.5 можно выполнить уточненные вычисления. Реально в полевых транзисторах напряженности поля в области смыкания канала достигают предельных.

Подвижность n Ev становится обратно пропорциональной напряженности

поля. В этом случае в области смыкания образуется очень узкий канал, обеспечивающий прохождение тока насыщения при предельной напряженности (рис. 5.6).