19. Польовий транзистор з ізольованим заслоном, МОН-транзистор: вбудований канал, індукований n-канал, р-канал

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

– Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.

– Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.

– Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

– Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-n-переходом, называется каналом полевого транзистора. Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1 ) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 < Ic1

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе р-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина р-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина р-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими р-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Данные приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник. МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник. МОП - транзисторы могут быть двух видов:

• Транзисторы со встроенным каналом

• Транзисторы с индуцированным каналом.

Транзистор со встроенным каналом.

Основой такого транзистора является кристалл кремния р- или п-типа проводимости.

Для транзистора с n-типом проводимости:

Uзи = 0; Ic1;

Uзи > 0; Ic2 > Ic1;

Uзи < 0; Ic3 < Ic1;

Uзи << 0; Ic4 = 0.

Принцип действия:

Под действием электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов, т. е. будет существовать ток стока. При подаче на затвор положительного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут притягиваться в канал. Канал обогатится носителями заряда, и ток стока увеличится.

При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны из канала будут уходить в подложку, канал обеднится носителями зарядов, и ток стока уменьшится. При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку, и ток стока станет равным нулю.

Вывод: МОП - транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения зарядов.

Транзисторы с индуцированным каналом.

Uз = 0; Ic1 = 0;

Uз < 0; Ic2 = 0;

Uз > 0; Ic3 > 0.

При напряжениях на затворе, равных или меньше нуля, канал отсутствует, и ток стока будет равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, как не основные носители заряда подложки р-типа, будут притягиваться к затвору, а дырки будут уходить вглубь подложки. В результате в тонком слое под затвором концентрация электронов превысит концентрацию дырок, т. е. в этом слое полупроводник поменяет тип своей проводимости. Образуется (индуцируется) канал, и в цепи стока потечёт ток.

Вывод: МОП–транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.

МОП–транзисторы обладают большим входным сопротивлением, чем транзисторы с управляемым переходом. Rвх = (10¹³÷10¹⁵) Ом.

18. Явища в області контакту метал-напівпровідник. Запірні, антизапірні шари в області контакту. Енергетичні діаграми метал-напівпровідник.

Розглянемо контакт метала з роботою виходу електронів А_м і донорного (електронного) напівпровідника з роботою виходу А_п. Якщо А_м < А_п то електрони будуть переходити із напівпровідника в метал, поки рівні Фермі не стануть однаковими (рис. 13.3). Контактна різниця потенціалів (КРП) також складає декілька вольт.

Рисунок 13.3

Для одержання такої КРП необхідно, щоб із напівпровідника із одиниці об’єму в метал перейшла приблизно та ж кількість електронів ~ 10²⁷ м^-3. Концентрація ж електронів в домішкових напівпровідниках n_о = N_d ≈ 10²⁴ м^-3. Тому тепер електрони повинні перейти із області напівпровідника товщиною приблизно 1000 міжатомних відстаней (d ≈ 310^-10 м), що набагато більше довжини їх вільного пробігу. Окрім того в напівпровіднику формується досить широка область, збіднена на основні носії заряду. Тому електропровідність такого контакту набагато менша, ніж об’єму напівпровідника, а тим більше ніж металу. Такий контакт називається запірним.

Напруженість контактного електричного поля направлена від напівпровідника в метал, а по величині (Е_к = V_к/d ≈ 310⁶ В/м) набагато менша від напруженості внутрішнього поля кристалу напівпровідника. Тому в області контакту структура енергетичних зон напівпровідника не змінюється, а енергетичні рівні зазнають викривлення, в нашому випадку загинаються вверх. Упевнимось у цьому на такому уявному експерименті. Нехай нам потрібно перемістити електрон через контакт із об’єму напівпровідника в метал. Для цього му повинні рухати його в напрямку напруженості контактного поля Е_к, яке буде перешкоджати такому рухові. Дійсно, оскільки заряд електрона від’ємній, на нього діє сила, направлена проти вектора напруженості електричного поля. Отже ми повинні виконати певну роботу, яка викликає зростання потенціальної енергії електрона. А це і означає загинання енергетичних зон вверх, що і відображено на рис. 13.3.

Нехтуючи товщиною контактного шару в металі в одну міжатомну відстань, можемо вважати, що вся контактна область поширюється в напівпровідник. Із формули (13.4), враховуючи, що кількість електронів, які зазнають переходу, дорівнює концентрації донорної домішки Δn = N_d, знаходимо товщину контактного шару

. (13.5)

В рівноважному стані, тобто без зовнішньої напруги, для переходу електронів із напівпровідника в метал потрібно подолати потенціальний бар’єр qV_К, а для протилежного переходу – qV₀. Потоки електронів однакові. Струм через контакт відсутній.

Проаналізуємо поводження контакту при підключенні зовнішньої напруги.

1) Запираюче (зворотне) ввімкнення контакту буде тоді, коли напруженість Е зовнішнього електричного поля співпадає за напрямком з напруженістю контактного поля Е_К (рис.13.4), тобто (+) зовнішньої батареї напругою V з’єднан з напівпровідником, а (–) з металом. Всі енергетичні рівні напівпровідника опускаються вниз на величину qV.

Рисунок 13.4

Висота бар’єру для потоку електронів (основних носіїв) із напівпровідника в метал зростає і стає рівним q(V_к+V). Цей потік значно зменшується. Потік же електронів із металу в напівпровідник не змінюється, так як для них висота бар’єру залишається такою ж qV₀. Зростає також ширина контактної області

. (13.6)

Таким чином, зменшення потоку основних носіїв заряду (електронів) і розширення збідненого на вільні носії заряду контактного шару приводить до різкого зменшення електропровідності контакту. Через нього протікає невеликий зворотній струм зумовлений неосновними носіями заряду (дірками), концентрація яких дуже мала (рис. 13.5)

. (13.7)

де і_S – струм насичення, який визначається концентрацією основних носіїв заряду. При збільшенні зовнішньої напруги V зворотній струм зростаючи по експоненті швидко виходить на насичення.

Рисунок 13.5

2) Пряме ввімкнення має місце тоді, коли напруженість зовнішнього поля протилежна контактному, тобто напівпровідник з’єднується з (–) зовнішньої батареї, а метал з (+). Тепер всі енергетичні рівні напівпровідника опускаються вниз на величину qV. Висота потенціального бар’єру для основних носіїв заряду (електронів) із напівпровідника в метал зменшується до величини q(V_к–V), прямий струм швидко зростає (див. рис. 13.6):

. (13.8)

Рисунок 13.6

Концентраційного обмеження, як це було при зворотному ввімкненні, немає. Крім того зменшується ширина високоомної контактної області

(13.9)

що також приводить до зростання електропровідності.

Таким чином розглянутий контакт має властивістьодносторонньої електропровідності, тобто має випрямляючі властивості: пропускати струм в одному напрямку і практично не пропускати в зворотному. Ця властивість характеризується коефіцієнтом випрямлення – це відношення прямого струму до зворотного при однаковій зовнішній напрузі. Для контактів метал-напівпровідник, або ще їх називають діодами Шотткі, цей коефіцієнт не дуже великий, порівнюючи з p-n -переходами і лежить в межах 10⁴÷10⁵. Але вони мають досить малий час перемикання з прямого ввімкнення на зворотне, порядку 10^-10 ÷ 10^-11 сек, що дає можливість використовувати їх у швидкодіючих ЕОМ.

Для виготовлення електричних контактів до напівпровідникових приладів необхідно формувати невипрямляючі, або омічні контакти, які б не впливали на роботу цих приладів. Такі контакти створюються з такими металами, коли відбувається збагачення приконтактної області напівпровідника основними носіями заряду. Як правило використовується той же метал, яким легований напівпровідник. Наприклад, р-Ge – In, n-Ge – Sb, n-Si – Ni, і т.д. В противному разі утворюються випрямляючі контакти, розглянуті вище.

17. Польові транзистори: приповерхній канал, об’ємний канал, польовий транзистор з керуючим р-n-переходом

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

– Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.

– Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.

– Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

– Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов называется каналом полевого транзистора.

Каналы могут быть приповерхностными и объемными. В транзисторах с приповерхностным каналом затвор отделен от канала слоем диэлектрика (МДП или МОП-транзисторы, так как в качестве диэлектрика чаще используют SiO2), а при объемном канале − обеднённым слоем, который создается с помощью p-n-перехода.

Полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1 ) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 < Ic1

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе р-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина р-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина р-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими р-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

16. Дифузійні резистори ІС: високоомні, низькоомні, пінч-резистори

Диффузионные резисторы полупроводниковых ИМС наиболее часто формируют на базовых слоях биполярных транзисторов. Выбор этого слоя представляет собой компромиссное решение между большими геометрическими размерами, которые были бы необходимы при использовании эмиттерного слоя, и высоким температурным коэффициентом сопротивления резистора, который соответствовал бы использованию слаболегированного слоя полупроводника (например, коллектора). Однако следует отметить, что на эмиттерном слое можно формировать низкоомные термостабильные резисторы. Структура и конфигурации диффузионных резисторов показаны на рис. 61.

Рис. 61 – Структура диффузионного резистора

1,2 – p-n-переходы;

3 – омические контакты к резистору;

4 – защитное покрытие (диоксид кремния);

5 – омический контакт к n-области;

6 – проводящий слой.

Рис. 62 – Конфигурации диффузионных резисторов.

Пинч-резисторы (рис. 63) представляют собой диффузионные резисторы, формируемые на базовых слоях и изолированные двумя параллельно расположенными обратно включенными эмиттерным и коллекторным p-n-переходами. По сравнению с обычными диффузионными резисторами, формируемыми на базовых слоях, пинч-резисторы имеют меньшую площадь поперечного сечения и более высокое удельное сопротивление, так как для их реализации используют слаболегированную часть базы. Поэтому максимальное сопротивление пинч-резисторов может достигать 300 кОм. Недостатками пинч-резисторов являются относительно большой разброс параметров, нелинейность вольт-амперных характеристик и рабочие напряжения, обычно не превышающие 7–10 В, так как они определяются напряжением пробоя перехода эмиттер–база.

Рис. 63 – Пинч-структура диффузионного резистора

Ионно-легированные резисторы по структуре не отличаются от обычных диффузионных, однако глубина залегания изолирующего их p-n-перехода значительно меньше и, как правило, не превышает 0,2–0,3 мм. Кроме того, ионное легирование обеспечивает получение очень малых концентраций атомов легирующих примесей, что позволяет создавать резисторы номинальное сопротивление которых достигает сотен килоом.

Пленочные резисторы, получаемые нанесением резистивного вещества на изолирующую пластину, имеют такую же структуру и конфигурацию, как и диффузионные. Сопротивление пленочных резисторов зависит от материала и толщины пленки и может достигать 1 Мом. После нанесения пленки резисторы обычно подгоняют под заданный номинал различными способами: механическим снятием части резистивного слоя, травлением, низкотемпературным окислением, лазерной обработкой и др.

Следует отметить, что при построении сложной аппаратуры малых габаритов стремятся использовать ИМС с минимальным количеством резисторов возможно меньших номиналов.

15. Дифузійний інтегральний транзистор з повною діелектричною ізоляцією (КСДІ)

Транзисторы с диэлектрической изоляцией изготовляют, проводя локальную диффузию в предварительно сформированные карманы, изолированные друг от друга диэлектрическими слоями и располагающиеся внутри пластины из поликристаллического кремния.

Структура дифузійного інтегрального транзистора з повною діелектричною ізоляцією показана на рис. 66

Рис. 66 – Структура КСДІ

Распределение атомов легирующих примесей в активных областях таких транзисторов показано на рис. 67.

Рис. 67 – Распределение концентраций примесных атомов:

1 – в коллекторной области;

2 – в скрытом n⁺-слое;

3,4 – в базовой и эмиттерной областях

Транзисторы с диэлектрической изоляцией имеют очень малые токи утечки и обладают высокой стабильностью параметров. Недостатки этих транзисторов - сложность технологического процесса получения изолированных карманов и высокая стоимость, что существенно ограничивают их применение в полупроводниковых ИМС.

14. Енергетичні зони та рівні в напівпровідниках. Рівень Фермі. Побудова зонних енергетичних діаграм

У проводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков валентные электроны удерживаются ковалентными связями, у полупроводников структура как у диэлектриков, но ковалентные связи значительно слабее. Достаточно сравнительно небольшого количества энергии, получаемой из внешней среды (температура, освещённость, сильное электрическое поле) чтобы электроны полупроводника разорвали ковалентные связи и стали свободными.

– Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, удерживаемого ковалентной связью, называется зоной валентности, или валентной зоной.

– Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, разорвавшего ковалентную связь и ставшего свободным, называется зоной проводимости.

– Графическое изображение этих энергетических зон называется зонной энергетической диаграммой.

На зонных диаграммах положение дна зоны проводимости обозначают значком E_C, положение вершины валентной зоны — E_V, а ширину запрещ. зоны — E_g.

Если ширина запрещенной зоны E_g лежит в диапазоне (0,1÷3,0) эВ, то твердое тело принадлежит к классу полупроводников.

Для того, чтобы электрон смог разорвать ковалентную связь и стать свободным, он должен получить энергию, большую ширины запрещённой зоны.

Рівень фермі визначається як енергія ймовірність одержання якої електроном складає 50%.

Якщо р. Фермі розташований у забороненій зоні, то електронів з таким рівнем енергії бути не може.

З положенням р. Фермі на енергетичнй діаграмі повязують кількість електронів в зоні провідності, чим вище рівень Ф до нижнього краю зони провідності, тим вище ймовірність заповнення електронами зони провідності. Якщо рівень Ф знаходиться посередині ЗЗ – це власний н/п-к.

При контакте полупроводников n- и p-типов вследствие различного значения токов термоэлектронной эмиссии (из-за разных значений работы выхода) поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа будет больше. Электроны из полупроводника n-типа будут при переходе в полупроводник p-типа рекомбинировать с дырками. Вследствие несбалансированности токов в полупроводнике n-типа возникнет избыточный положительный заряд, а в полупроводнике p-типа – отрицательный. Положительный заряд обусловлен ионизованными донорами, отрицательный заряд – ионизованными акцепторами. Вследствие эффекта поля произойдет изгиб энергетических зон в полупроводниках n- и p-типов, причем в полупроводнике p-типа на поверхности термодинамическая работа выхода будет уменьшаться, а в полупроводнике n-типа на поверхности термодинамическая работа выхода будет увеличиваться. Условию термодинамического равновесия соответствуют равные значения токов термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводников p- и n-типов, а следовательно, и равные значения термодинамической работы выхода.

13. Ефект поля в напівпровідниках: збіднений, збагачений та інверсний шари

Ефект поля – изменение проводимости полупроводника при наложении электрического поля, перпендикулярного его поверхности.

Эффект поля зависит от полярности приложенного напряжения и от типа проводимости полупроводника.

Рассмотрим условия формирования и зонные диаграммы приповерхностных слоев различного типа в примесных полупроводниках.

Обогащенный (низкоомный) слой возникает, когда знак поверхностного потенциала j противоположен знаку заряда основных носителей. Под влиянием поверхностного потенциала происходит притяжение основных носителей к поверхности и обогащение ими приповерхностной области полупроводника. Зонные диаграммы приповерхностных областей полупроводников n- и p-типа с низкоомными слоями представлены на рис. 4.15 а, б.

Как следует из рис. 4.15, вызванный потенциалом U изгиб зон приводит к уменьшению расстояния от уровня Ферми j_Fn до дна зоны проводимости j_c в полупроводнике n-типа и от уровня Ферми j_Fp до потолка валентной зоны j_v в полупроводнике p-типа. Результатом этого является полная ионизация примесных уровней, сопровождающаяся обогащением приповерхностной области полупроводника основными носителями.

Рис.4.15

Обедненный (высокоомный) слой вблизи поверхности полупроводника возникает, когда знак поверхностного потенциала j совпадает со знаком заряда основных носителей. Под влиянием поверхностного потенциала происходит отталкивание основных носителей от поверхности и обеднение ими приповерхностной области полупроводника. Зонные диаграммы приповерхностных областей полупроводников n- и p-типа с высокоомными слоями представлены на рис. 4.16 а, б.

Как следует из рис. 4.16, изгиб зон, вызванный потенциалом U, приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми j_Fn до дна зоны проводимости j_c в полупроводнике n-типа и от уровня Ферми j_Fp до потолка валентной зоны j_v в полупроводнике p-типа. Результатом этого является уменьшение степени ионизации примесных уровней, сопровождающееся обеднением приповерхностной области полупроводника основными носителями - их концентрация оказывается меньше концентрации примеси, определяющей тип проводимости полупроводника.

Рис.4.16

Инверсионный слой вблизи поверхности полупроводника возникает при больших абсолютных значениях поверхностного потенциала j_s, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей. В этом случае, как показано на рис. 4.17 а, б, уровень электростатического потенциала j_E пересекает линию уровня Ферми в примесном полупроводнике. В результате уровень Ферми оказывается в той половине запрещенной зоны, которая соответствует преобладанию неосновных носителей заряда.

Рис.4.17

Расстояние от уровня Ферми j_Fn до потолка валентной зоны j_v в полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости (рис. 4.17, а). Вследствие этого концентрация неосновных носителей заряда (дырок) у поверхности полупроводника на глубине l_n становится выше концентрации основных носителей (электронов) и тип проводимости этой области меняется.

Аналогично, в полупроводнике p-типа уменьшается расстояние от уровня Ферми j_Fp до дна зоны проводимости j_c (рис. 4.17, б). Поэтому концентрация электронов у поверхности полупроводника на глубине l_p становится выше концентрации основных носителей и тип проводимости этой области также меняется.

Значение поверхностного потенциала j_sF, при котором уровень электростатического потенциала j_E пересекает линию уровня Ферми

При дальнейшем увеличении абсолютной величины поверхностного потенциала приповерхностный изгиб границ зон может достигнуть такой величины, что уровень электростатического потенциала j_Е будет пересекать границу одной из зон или даже переместится в разрешенную зону. В этом случае в результате вырождения тонкая приповерхностная область полупроводника приобретает высокую (полуметаллическую) проводимость, тип которой определяется неосновными носителями заряда.

Эффект образования инверсионного слоя в приповерхностной области полупроводника получил чрезвычайно важное практическое применение при создании МДП и МОП-транзисторов с изолированным затвором.

11. Напівпровідникові інтегральні резистори, конденсатори, індуктивності

РЕЗИСТОРЫ:

Исходными данными для определения геометрических размеров резисторов являются их номинальное сопротивление, а также допуск на него, поверхностное сопротивление материала, температурный коэффициент сопротивления, средняя рассеиваемая мощность и точность выполнения технологических операций.

Номинальное сопротивление резисторов определяют по формуле

– удельное сопротивление материала;

l, b, d – длина, ширина и толщина резистивного элемента.

Номинальное сопротивление резистора в основном зависит от материала с заданным удельным объемным сопротивлением и от его геометрических размеров. Как видно из приведенной выше формулы, сопротивление резистора можно повысить, увеличив его длину или уменьшив площадь поперечного сечения.

Резисторы ИМС можно подразделить на диффузионные, пинч-резисторы, ионно-легированные и пленочные.

Диффузионные резисторы полупроводниковых ИМС наиболее часто формируют на базовых слоях биполярных транзисторов. Выбор этого слоя представляет собой компромиссное решение между большими геометрическими размерами, которые были бы необходимы при использовании эмиттерного слоя, и высоким температурным коэффициентом сопротивления резистора, который соответствовал бы использованию слаболегированного слоя полупроводника (например, коллектора). Однако следует отметить, что на эмиттерном слое можно формировать низкоомные термостабильные резисторы. Структура и конфигурации диффузионных резисторов показаны на рис. 61.

Рис. 61 – Структура диффузионного резистора

1,2 – p-n-переходы;

3 – омические контакты к резистору;

4 – защитное покрытие (диоксид кремния);

5 – омический контакт к n-области;

6 – проводящий слой.

Рис. 62 – Конфигурации диффузионных резисторов.

По сравнению с обычными диффузионными резисторами, формируемыми на базовых слоях, пинч-резисторы имеют меньшую площадь поперечного сечения и более высокое удельное сопротивление, так как для их реализации используют слаболегированную часть базы. Поэтому максимальное сопротивление пинч-резисторов может достигать 300 кОм. Недостатками пинч-резисторов являются относительно большой разброс параметров, нелинейность вольт-амперных характеристик и рабочие напряжения, обычно не превышающие 7–10 В, так как они определяются напряжением пробоя перехода эмиттер–база.

Рис. 63 – Пинч-структура диффузионного резистора

Ионно-легированные резисторы по структуре не отличаются от обычных диффузионных, однако глубина залегания изолирующего их p-n-перехода значительно меньше и, как правило, не превышает 0,2–0,3 мм. Кроме того, ионное легирование обеспечивает получение очень малых концентраций атомов легирующих примесей, что позволяет создавать резисторы номинальное сопротивление которых достигает сотен килоом.

Следует отметить, что при построении сложной аппаратуры малых габаритов стремятся использовать ИМС с минимальным количеством резисторов возможно меньших номиналов.

КОНДЕНСАТОРЫ:

Конденсаторы полупроводниковых ИМС обычно выполняют на основе структур обратно включенных p-n-переходов биполярных транзисторов (диффузионные конденсаторы) и структур металл - окисел - полупроводник МОП-транзисторов (МОП-конденсаторы).

Диффузионные конденсаторы основаны на использовании барьерной емкости обратно включенных p-n-переходов (рис. 63). Аналогом диэлектрика в таких конденсаторах является область объемного заряда обратно включенного p-n-перехода. При использовании диффузионных конденсаторов необходимо соблюдать полярность обратного напряжения, т. е. потенциал n-области всегда должен быть выше потенциала p-области.

Рис. 63

МОП - к онденсаторы (рис. 64), формируемые на основе слоя диоксида кремния или какого-либо другого диэлектрика, отличаются гораздо лучшими электрическими характеристиками, чем диффузионные, и находят широкое применение в различных перспективных полупроводниковых и гибридных ИМС, используемых, в частности, для создания аналоговых устройств. Процесс изготовления интегральных МОП-конденсаторов не требует дополнительных технологических приемов, так как операция получения слоя диэлектрика легко совмещается с одной из операций локальной диффузии. Верхним электродом конденсатора служит металлическая (обычно алюминиевая) пленка, а нижним - сильно легированная область полупроводника, имеющая омический контакт с выводом. Обычно МОП-конденсаторы изолируют от остальных элементов ИМС обратно включенными p-n -переходами.

Преимуществами МОП-конденсаторов по сравнению с диффузионными являются их неполярность и нулевой коэффициент напряжения. Следовательно, к ним может быть приложено напряжение любой полярности, а номинальная емкость не зависит от приложенного напряжения. Кроме того, поскольку удельное сопротивление кремниевых пластин невелико, добротность таких конденсаторов может достигать 1000 и более. Как в диффузионных, так и в МОП-конденсаторах возникает паразитная емкость, обусловленная влиянием заземленной подложки,

Рис. 64

ИНДУКТИВНОСТИ:

10. Тунельний діод. Принцип роботи, ВАХ

Принцип работы туннельного диода основан на применении тоннельного эффекта, который проявляется на p-n переходе в вырожденных полупроводниках.

Вырожденный полупроводник - это полупроводник с очень высокой концентрацией донорной или акцепторной примеси. (Концентрация - 10²⁴ атомов примеси на 1 куб. см. полупроводника).

В вырожденных полупроводниках очень тонкий p-n переход: его ширина составляет сотые доли микрона, а напряжённость внутреннего поля p-n перехода составляет

Ep-n = 10⁸ В/м, что обеспечивает очень высокий потенциальный барьер. Основные носители заряда не могут преодолеть этот потенциальный барьер, но за счёт малой его ширины как бы механически пробивают в нём тоннели, через которые проходят другие носители зарядов.

Следовательно, свойство односторонней проводимости на p-n переходе при тоннельном эффекте отсутствует, а ток через p-n переход будет иметь три составляющие:

I = Iт.пр. – Iт.обр. + Iпр.

где Iт.пр - прямой тоннельный ток, за счёт прохождения зарядов через тоннели при прямом включении;

Iт.обр. - обратный тоннельный ток, тот же самый, что и прямой, но при обратном включении;

Iпр - прямой ток проводимости. Вызван носителями заряда, преодолевающими потенциальный барьер при относительно высоком прямом напряжении.

Вольтамперная характеристика pn перехода при тоннельном эффекте будет иметь вид, изображённый на рисунке 23.

На участке АВ прямой тоннельный ток уменьшается за счёт снижения потенциального барьера и в точке В он становится равным нулю, а ток проводимости незначительно возрастает. За счёт этого общий ток на участке АВ уменьшается. Особенностью тоннельного эффекта является то, что на участке АВ характеристики имеет место отрицательное динамическое сопротивление.

Так как возникновение туннельного тока нес вязано с инжекцией носителей заряда, туннельные диоды имеют малую инерционность и вследствие этого используются в схемах генераторов высокочастотных гармонических колебаний и как маломощные бесконтактные переключающие устройства.

Условное обозначение туннельного диода:

9. ВАХ ідеалізованого р-n-переходу. Пряма і зворотна гілки ВАХ. Вивід виразу для ВАХ

Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт которого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина p-n перехода - десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряжённости электрического поля – на границе раздела.

Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на p-n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером. Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть p-n переход, его энергия должна (быть достаточной для преодоления потенциального барьера.

Прямое и обратное включение p-n перехода.

Приложим внешнее напряжение плюсом к р-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт.

Если подключить внешнее напряжение минусом на р-область, а плюсом на п-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля - и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

Свойства p-n перехода.

К основным свойствам p-n перехода относятся:

– свойство односторонней проводимости;

– температурные свойства p-n перехода;

– частотные свойства p-n перехода;

– пробой p-n перехода.

Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтамперной характеристике. Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U)

Будем считать прямое напряжение положительным, обратное - отрицательным. Ток через p-n переход может быть определён следующим образом:

I₀ – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда;

e – основание натурального логарифма;

e’ – заряд электрона;

Т – температура;

U – напряжение, приложенное к p-n переходу;

k – постоянная Больцмана.

ПРИ ПРЯМОМ ВКЛЮЧЕНИИ:

При увеличении прямого напряжения прямой ток изменяется по экспоненциальному закону.

ПРИ ОБРАТНОМ ВКЛЮЧЕНИИ:

Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, го обратным током можно пренебречь и считать, что p-n переход проводит ток только в одну сторону. Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется работа p-n перехода при изменении температуры. На p-n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени - охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока.

ПРОБОЙ P-N ПЕРЕХОДА.

Iобр = – Io

При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока.

Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода.

7. Диністор, тиристор. ВАХ, фізика принципу роботи, вмикання, вимикання

Тиристором называется четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последовательно чередующихся областей p- и n – типов проводимости.

Первый вид тиристоров – это динисторы.

– Динисторы – это диодные тиристоры, или неуправляемые переключательные диоды.

Наружная p-область и вывод от неё называется анодом.

Наружная п-область и вывод от неё называется катодом. Внутренние р- и п-области называются базами динистора. Крайние p-n переходы называются эмиттерными, а средний p-n переход называется коллекторным.

Подадим на анод «-», а на катод «+». При этом эмиттерные переходы будут закрыты, коллекторный открыт. Основные носители зарядов из анода и катода не смогут перейти в базу, поэтому через динистор будет протекать только маленький обратный ток, вызванный не основными носителями заряда.

Если на анод подать «+», а на катод «-», эмиттерные переходы открываются, а коллекторный закрывается.

Динисторы применяются в виде бесконтактных переключательных устройств, управляемых напряжением. Принцип действия.

Основные носители зарядов переходят из анода в базу 1, а из катода - в базу 2, где они становятся не основными и в базах происходит интенсивная рекомбинация зарядов, в результате которой количество свободных носителей зарядов уменьшается. Эти носители заряда подходят к коллекторному переходу, поле которых для них будет ускоряющим, затем проходят базу и переходят через открытый эмиттерный переход, т. к. в базах они опять становятся основными. Пройдя эмиттерные переходы, электроны переходят в анод, а дырки - в катод, где они вторично становятся не основными и вторично происходит интенсивная рекомбинация. В результате количество зарядов, прошедших через динистор, будет очень малО, и прямой ток также будет очень мал. При увеличении напряжения прямой ток незначительно возрастает, т. к. увеличивается скорость движения носителей, а интенсивность рекомбинации уменьшается. При увеличении напряжения до определённой величины происходит электрический пробой коллекторного перехода. Сопротивление динистора резко уменьшается, ток через него сильно увеличивается и падение напряжения на нём значительно уменьшается. Считается, что динистор перешёл из выключенного состояния во включённое.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТИРИСТОРОВ:

– Напряжение включения (Uвкл) – это напряжение, при котором ток через динистор начинает сильно возрастать.

– Ток включения (Iвкл) – это ток, соответствующий напряжению включения.

– Ток выключения (Iвыкл) – это минимальный ток через тиристор, при котором он остаётся ещё во включённом состоянии.

– Остаточное напряжение (Uост) – это минимальное напряжение на тиристоре во включённом состоянии.

– Ток утечки (Io) – это ток через тиристор в выключенном состоянии при заданном напряжении на аноде.

– Максимально допустимое обратное напряжение (Uобр.max).

– Максимально допустимое прямое напряжение (Uпр.max).

– Время включения (tвкл) – это время, за которое напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 напряжения включения.

– Время включения (tвыкл) – это время, за которое тиристор переходит из включённого в

выключенное состояние.

6. Порогова напруга МОН-транзистора, зонна діаграма індукованого n- і р-каналу

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

– Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.

– Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.

– Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

– Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-n-переходом, называется каналом полевого транзистора. Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1 ) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 < Ic1

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.