ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ 3 страница

Диффузионная ёмкость отсутствует в диодах Шотки, что делает их основным типом для указанных применений.

В диодах с p-n переходом диффузионную ёмкость удаётся уменьшить за счёт уменьшения толщины базы. На рис. 17 изображены p-n⁺ диоды с обычной (а) и тонкой базой (б):

а) б)

Рис. 17

Т.к. у этих диодов эмиттером является сильнолегированная n-область, при прямом напряжении будет наблюдаться преимущественно электронный диффузионный ток. Рис. 17 демонстрирует распределение свободных электронов в обоих диодах. Очевидно, что в диоде с тонкой базой пространство, где существует диффузионный заряд, а также сам этот заряд, намного меньше. Поэтому здесь намного меньше и диффузионная ёмкость.

Согласно (17), диффузионную емкость p-n диода можно также уменьшить, уменьшив среднее время жизни неосновных носителей в базе τ.

Для этого, например, можно несколько увеличить концентрацию примеси в базе, что вызовет более интенсивную рекомбинацию и уменьшение τ.

Всё сказанное в равной степени относится к m-n и p-n переходам в интегральных схемах, где они используются не только в качестве диодов, но и в составе других элементов.

5.3. Стабилитрон

Стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжения в режиме электрического пробоя. В таком диоде используется кремниевый p-n переход, отличающийся способностью работать при температурах до 125⁰ С и малой склонностью к возникновению теплового пробоя.

Схема включения стабилитрона представлена на рис. 18:

Рис. 18

Здесь U_вх – нестабильное напряжение источника питания – батареи, аккумулятора, солнечной батареи и т.п. На стабилитрон подано обратное напряжение, достаточное для возникновения электрического пробоя. R_огр не позволяет току в стабилитроне превысить предельно допустимое значение I_{обр.макс}. Тем самым исключается переход электрического пробоя в тепловой. Сопротивление нагрузки R_нвключено параллельно стабилитрону. Поэтому напряжения на них равны и близки к напряжению пробоя U_пр. Напряжение на нагрузке, в зависимости от крутизны участка пробоя, остаётся более или менее стабильным.

5.4. ВАРИКАП

Варикап – диод, предназначенный для работы в режиме управляемой барьерной ёмкости C_б.

При обратном напряжении на p-n переходе ток в нём очень небольшой и, если есть переменная составляющая N_д, существует ёмкостная составляющая обратного тока I_обр. Ёмкостный обратный ток тем больше, чем больше C_би 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 j_к= j_к0 + U_обр, получим:

C_б = [2εε₀(j_к0 + U_обр)(N_а + N_д)/qN_аN_д]^½ (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 C_б, которую можно изменять.

При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость C_б(U_обр) была более сильной. В общем случае эта зависимость описывается выражением

C_б = [2εε₀(j_к0 + U_обр)(N_а + N_д)/qN_аN_д]^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_упр. Изменяя это напряжение можно настраивать колебательный контур на необходимую резонансную частоту ω₀ = (1/√LC).

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).

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/W_з, (31)

где h – постоянная Планка, c – скорость света, W_з– 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 электронно-дырочных пар. Поскольку в переходе имеется собственное электрическое поле, ускоряющее для неосновных носителей, последние 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

Рис. 22

полупроводник – кремний, то диэлектрик, как правило, двуокись кремния SiO₂. 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 U_вн. Полупроводник может быть как n, так и p типа.

Пусть на МДП-структуру с полупроводником p-типа подано U_вн 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 U_вн 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 из-за 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 n_i, 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. 23,а.

Рис. 23

Здесь МДП-структура дополнена двумя снабженными металлическими контактами «островками» n⁺-типа, между которыми может возникать канал n-типа (рис.23,б). 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 U_зи и U_си.

При подаче на затвор положительного напряжения U_зи, 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 U_си, в канале появится ток канала. Ток канала, ток истока и ток стока равны между собой. Этот ток принято называть током стока I_с. По характеру I_сявляется дрейфовым током основных носителей.

Чем больше U_зи, тем больше толщина канала, концентрация свободных электронов в нём и поэтому больше ток I_с.

При любых U_зи < U₀ режим МДП-структуры – обогащение или 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_зи < U₀. Такие транзисторы менее 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 МДП-транзистора 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 зависит напряжение, мощность, размеры и стоимость источника питания МДП интегральных схем и отдельных МДП-транзисторов. Стоимость, размеры и масса источника может 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:

, (32)

где – контактная разность потенциалов металл – полупроводник;

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 U₀является 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 C_зк:

C_зк = ε₀ε_дS/d = ε₀ε_дWL/d, (33)

где S – площадь затвора, W и L – ширина и длина затвора.

От C_зк зависит время отпирания и запирания транзистора, т.е. его импульсные и частотные свойства. Поэтому W и L должны быть минимизированы. Однако это противоречит обеспечению необходимого тока в канале I_с. 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_c_макс = 10 А, W = 2 м, L = 1 мкм. Проблема столь большой ширины канала в 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 I_с от входного напряжения U_зи. В первом приближении эта зависимость описывается двумя уравнениями:

I_с= 0,5B(U_зи - U₀)², при U_зи > U₀ (открытое состояние)

(34)

I_с= 0, при U_зи < U₀ (закрытое состояние)

Рис. 24

Очевидно, что ток в канале I_стем больше, чем больше коэффициент подвижности носителей в канале µ, его ширина W и проницаемость диэлектрика ε_дε₀. Естественно также, что I_суменьшается с увеличением толщины диэлектрика d (слабеет поле) и увеличением длины канала (растёт его сопротивление). Поэтому

B = µε_дε₀W/d·L (35)

Главный коэффициент, характеризующий усиление электронных элементов и устройств – коэффициент усиления по мощности К_р = Р_вых/Р_вх. У МДП-транзисторов К_р может быть очень большим. Это связано с тем, что вход транзистора, затвор отделён (изолирован) от канала диэлектрическим слоем. При постоянном входном напряжении U_зи входного тока I_з практически нет и Р_вх = U_зиI_з ≈ 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 U_зи 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. Проходные, или переходные характеристики связывают входные токи или напряжения с выходными.

Примером статической характеристики является проходная характеристика МДП-транзистора, рис. 25. Она соответствует

Рис. 25

зависимостям (34). Т.к. она связывает ток стока и напряжение на затворе, её называют также стоко-затворной характеристикой.

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 U_зи.

На рис. 26 изображены выходные характеристики МДП-транзистора.

Рис.26

Они отражают зависимость выходного тока I_с от выходного напряжения U_си. Этот ток зависит ещё и от входного напряжения U_зи. Поэтому выходные характеристики обычно изображаются в виде семейства характеристик. Каждая из характеристик семейства соответствует некоторому неизменному U_зи. В результате семейство характеристик отображает обе важнейшие зависимости: I_с = f₁(U_си) и I_с= f₂(U_зи).

Выходные характеристики МДП-транзисторов имеют два характерных участка. Первый участок соответствует малым значениям U_си. В этой области канал по всей своей длине одинаков, его сопротивление R_к определяется только неизменным значением U_зи и поэтому R_к = const. При неизменном сопротивлении зависимость тока в канале I_сот напряжения на канале U_сиподчиняется закону Ома. Отсюда название этого участка – омический, или резистивный. Он представляет собой отрезок прямой из начала координат.

С дальнейшим увеличением U_си 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 U_си, разность потенциалов затвор-канал равна U_зи - U_си. Поэтому с ростом U_си поле затвора

Рис. 27

здесь ослабевает. Канал вблизи стока становится тоньше, R_кувеличивается. 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 U_си произойдет пробой p-n-прехода сток-подложка, и это приведет к резкому повышению тока стока за счет обратного лавинного тока перехода.

Такие же по форме выходные характеристики имеют МДП-транзисторы со встроенным каналом, рис. 28.

Они находят ограниченное применение из-за необходимости затрачивать энергию на поддержание состояния отсечки транзистора изготовления дополнительного n-слоя между истоком и стоком. Этот слой выполняет функцию канала, который существует в таком транзисторе и при U_зи = 0. Как и в транзисторах с индуцированным каналом, в МДП транзисторах со встроенным каналом в зависимости от напряжения на затворе наступает обогащение или обеднение канала. При достаточно сильном обеднении,

Рис. 28 Рис. 29

т.е. при U_зи < U₀, наступает режим инверсии полупроводника под затвором. Канал исчезает, транзистор запирается. Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа изображена на рис. 29. Здесь же штриховая линия соответствует p-канальному варианту транзистора.

Выходные характеристики всех рассмотренных в разделе 6.5 транзисторов имеют только количественные отличия, рис. 26.

Общепринятые условные обозначения всех МДП-транзисторов приведены в Приложении 2.

6.5. МДП-транзистор с плавающим затвором

Устройство МДП-транзистора с плавающим затвором изображено на рис. 30.

Рис. 30 Рис. 31

В таком транзисторе есть два металлических слоя, выполняющих функцию двух затворов.

На верхний, обычный затвор, может быть подано внешнее напряжение U_зи в виде короткого импульса, рис. 31. Возникает электрическое поле, которое заряжает внутренний, плавающий затвор. В зависимости от знака поданного U_зи, заряд плавающего затвора будет +Q или –Q. Этот заряд, в свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, проникающее в полупроводник. При +Q в полупроводнике возникает режим инверсии. Образуется n-канал, транзистор открыт. При отрицательном U_зи плавающий затвор приобретает заряд –Q. Канал исчезает (закрытое состояние).

Главное свойство такого транзистора - заряд плавающего затвора не исчезает после отключения U_зи. Благодаря тому, что плавающий затвор со всех сторон окружён высококачественным диэлектриком, пути для тока разряда нет и заряд затвора сохраняется в течение нескольких лет. В течение этого же времени сохраняется открытое или закрытое состояние. Таким образом, МДП-транзистор с плавающим затвором обладает свойствами ячейки памяти, способной хранить 1 бит информации.

Запись открытого состояния (условно единицы) осуществляется подачей на затвор короткого положительного импульса, рис. 31. Стирание прежнего заряда и переход в закрытое состояние (запись нуля) осуществляется подачей короткого отрицательного импульса.

МДП-транзисторы с плавающим затвором и их разновидности получили исключительно широкое распространение в современной электронике. На их использовании, в частности, основывается работа флеш-памяти.

6.6. Арсенид-галлиевый полевой транзистор

В арсенид-галлиевом полевом транзисторе (в дальнейшем GaAs-транзистор), как и в МДП-транзисторе, используется полевой эффект – влияние электрического поля на полупроводник. И хотя в GaAs-транзисторе нет диэлектрического слоя, подобием его является слой обеднённого полупроводника на границе металло-полупроводникового контакта Шотки.

В работе МДП- и GaAs-транзисторов много общего. Устройство GaAs-транзистора поясняет рис. 32. Сам GaAs кристалл примесей не содержит. Благодаря большой ширине запрещённой зоны собственная концентрация носителей заряда беспримесного GaAs настолько мала, что по электропроводности этот полупроводник приближается к диэлектрикам. Поэтому проблемы влияния полупроводника, окружающего транзистор, не существует.

Рис. 32 Рис. 33

Канал в таком транзисторе изготавливается сразу, в виде слоя полупроводника n-типа. Металл затвора выбирается так, чтобы контакт между затвором и каналом являлся контактом Шотки. Как в любом другом таком m-n контакте, в приграничной части полупроводника возникает обеднённый слой.

При подаче на затвор относительно подложки положительного напряжения наступает обогащение канала. Обеднённый слой сужается, канал расширяется. Ток канала I_с увеличивается (U_си≠ 0). При подаче отрицательного напряжения на затвор обеднённый слой расширяется. При пороговом напряжении –U₀ канал исчезает, транзистор запирается. Типичная стоко-затворная характеристика GaAs-транзистора изображена на рис. 33.

Использование GaAs-транзистора при положительных напряжениях U_зи > 0,2…0,4 В приводит к отпиранию m-n перехода и появлению в нём значительного тока. В основной схеме включения полевых транзисторов, схеме с общим истоком, это входной ток I_з. Поэтому возрастает входная мощность и снижается усиление транзистора. При U_зи > 0,2…0,4 В такой транзистор не используется.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒