Реферат: Полупроводниковые приборы
Московский Горный Государственный Университет
Реферат
на тему:
Полупроводниковые приборы.
(диод, транзистор, полевой транзистор)
ст. гр. САПР-1В-96
Царев А.В.
Москва 1996 г.
Оглавнение
Полупроводниковые диоды.
Полупроводниковые транзисторы.
Полевые МДП транзисторы.
Литература.
Полупроводниковые диоды
Диод - полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только
одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую
цепь.
Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор p-n- переходом.
Рабочий элемент- кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за
счёт небольшой добавки донорной примеси Для создания в нём
p-n-переходов в одну из его поверхностей вплавляют индий. Вследствие
диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия у поверхности
германия образуется область р-типа. Остальная часть германия по-прежнему
остаётся n- типа. Между этими двумя областями возникает р-n-переход. Для
предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия
помещают в герметический корпус. устройство и схематическое изображение
полупроводникового диода :
VD
Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса,
длительный срок службы, высокая механическая прочность; недостатком -
зависимость их параметров от температуры.
Вольт - амперная характеристика диода (при большом напряжении сила тока
достигает наибольшей величины- ток насыщения) имеет нелинейный характер,
поэтому свойства диода оцениваются крутизной характеристики:
Полупроводниковые транзисторы
Свойства p—n-пеpехода можно использовать для создания усилителя
электрических колебаний, называемого полупроводниковым триодом или
транзистором.
В полупроводниковом триоде две p--области кристалла разделяются узкой
n--областью. Такой триод условно обозначают p—n—p. Можно делать и n—p—n
триод, т.е. разделять две n-области кристалла узкой p--областью (рис.).
Триод p—n—p типа состоит из трех областей, крайние из которых обладают
дырочной проводимостью, а средняя — электронной. К этим трем областям
триода делаются самостоятельные контакты а, б и в, что позволяет
подавать разные напряжения на левый p—n-пеpеход между контактами а и б и
на правый n—p-пеpеход между контактами б и в.
Если на правый переход подать обратное напряжение, то он будет заперт и
через него будет протекать очень малый обратный ток. Подадим теперь
прямое напряжение на левый p—n-пеpеход, тогда через него начнёт
проходить значительный прямой ток.
Одна из областей триода, например левая, содержит обычно в сотни раз
большее количество примеси p-типа, чем количество n-пpимеси в n-области.
Поэтому прямой ток через p—n-пеpеход будет состоять почти исключительно
из дырок, движущихся слева направо. Попав в n-область триода, дырки,
совершающие тепловое движение, диффундируют по направлению к
n—p-переходу, но частично успевают претерпеть рекомбинацию со свободными
электронами n-области. Но если n-об-ласть узка и свободных электронов в
ней не слишком много (не ярко выраженный проводник n-типа), то
большинство дырок достигнет второго перехода и, попав в него,
переместится его полем в правую p-область. У хороших триодов поток
дырок, проникающих в правую p-область, составляет 99% и более от потока,
проникающего слева в n-область.
Если при отсутствии напряжения между точками а и б обратный ток в
n-p-переходе очень мал, то после появления напряжения на зажимах а и б
этот ток почти так же велик, как прямой ток в левом переходе. Таким
способом можно управлять силой тока в правом (запертом) n-p-переходе с
помощью левого p-n-перехода. Запирая левый переход, мы прекращаем ток
через правый переход; открывая левый переход, получаем ток в правом
переходе. Изменяя величину прямого напряжения на левом переходе, мы
будем изменять тем самым силу тока в правом переходе. На этом и основано
применение p-n-p-триода в качестве усилителя.
При работе триода (рис) к правому переходу подключается сопротивление
нагрузки R и с помощью батареи Б подаётся обратное напряжение (десятки
вольт), запирающее переход. При этом через переход протекает очень малый
обратный ток, а всё напряжение батареи Б прикладывается к n-p-переходу.
На нагрузке же напряжение равно нулю. Если подать теперь на левый
переход небольшое прямое напряжение, то через него начнёт протекать
небольшой прямой ток. Почти такой же ток начнёт протекать и через правый
переход, создавая падения напряжения на сопротивлении нагрузки R.
Напряжение на правом n-p-переходе при этом уменьшается, так как теперь
часть напряжения батареи падает на сопротивлении нагрузки.
При увеличении прямого напряжения на левом переходе увеличивается ток
через правый переход и растёт напряжение на сопротивлении нагрузки R.
Когда левый p-n-переход открыт, ток через правый n-p-переход делается
настолько большим, что значительная часть напряжения батареи Б падает на
сопротивлении нагрузки R.
Таким образом, подавая на левый переход прямое напряжение, равное долям
вольта, можно получить большой ток через нагрузку, причём напряжение на
ней составит значительную часть напряжения батареи Б, т.е. десятки
вольт. Меняя напряжение, подводимое к левому переходу, на сотые доли
вольта, мы изменяем напряжение на нагрузке на десятки вольт. таким
способом получают усиление по напряжению.
Усиления по току при данной схеме включения триода не получается, так
как ток, идущий через правый переход, даже немного меньше тока, идущего
через левый переход. Но вследствие усиления по напряжению здесь
происходит усиление мощности. В конечном счете усиление по мощности
происходит за счёт энергии источника Б.
Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью
постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней
воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение
затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е.
управлять энергией мощного постоянного источника.
Переход, включаемый в проходном направлении (на рисунках - левый),
называется эмиттерным, а переход, включаемый в запирающем направлении
(на рисунках - правый) — коллекторным. Средняя область называется базой,
левая — эмиттером, а правая — коллектором. Толщина базы составляет лишь
несколько сотых или тысячных долей миллиметра.
Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз
больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое
применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре
и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих
электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.
Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же,
как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода,
потребляющего значительную мощность и требующего времени для его
разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по
массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны
работать при более низких напряжениях.
Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки.
Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к
повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим
излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его запаковывают
в специальный “футляр”).
Основные материалы из которых изготовляют триоды — кремний и германий.
Полевые МДП транзисторы.
В последние годы большое место в электронике заняли приборы,
использующие явления в приповерхностном слое полупроводника. Основным
элементом таких приборов является структура
Металл-Диэллектрик-Полупроводник /МДП/. В качестве диэлектрической
прослойки между металлом и полупроводником часто используют слой
оксида, например диоксид кремния. Такие структуры носят название
МОП-структур. Металлический электрод обычно наносят на диэлектрик
вакуумным распылением. Этот электрод называется затвором.
Если на затвор подать некоторое напряжение смещения относительно
полупроводника , то у поверхности полупроводника возникает область
объемного заряда, знак которой противоположен знаку заряда на затворе. В
этой области концентрация носителей тока может существенно
отличаться от их объемной концентрации.
Заряжение приповерхностной области полупроводника приводит к
появлению разности потенциалов между нею и объемом полупроводника и,
следовательно, к искривлению энергетических зон. При отрицательном
заряде на затворе, энергетические зоны изгибаются вверх, так как при
перемещении электрона из объема на поверхность его энергия
увеличивается. Если затвор заряжен положительно то зоны изгибаются
вниз.
Hа рисунке показана зонная структура n-полупроводника при отрицательном
заряде на затворе и приведены обозначения основных величин,
характеризующих поверхность; разность потенциалов между поверхностью и
объемом полупроводника; изгиб зон у поверхности; середина запрещенной
зоны. Из рисунка видно, что в объеме полупроводника расстояние от дна
зоны проводимости до уровня Ферми меньше расстояния от уровня Ферми до
потолка валентной зоны. Поэтому равновесная концентрация электронов
больше концентрации дырок: как и должно быть у n-полупроводников. В
поверхностном слое объемного заряда происходит искривление зон и
расстояния от дна зоны проводимости до уровня Ферми по мере
перемещения к поверхности непрерывно увеличивается, а расстояние до
уровня Ферми до потолка валентной зоны непрерывно уменьшается. В сечении
АА эти расстояния становятся одинаковыми и полупроводник становится
собственным: n=p=n. Правее сечения АА, в следствии чего p>n и
полупроводник становится полупроводником р-типа. У поверхности
образуется в этом случае поверхностный p-n переход.
Часто изгиб зон у поверхности выражают в единицах kT и обозначают Ys.
Тогда при формировании приповерхностной области полупроводника могут
встретиться три важных случая: обеднение, инверсия и обогащение этой
области носителями заряда. Эти случаи для полупроводников n- и p-типа
представлены на рис.
Обедненная область появляется в том случае, когда заряд затвора по
знаку совпадает со знаком основных носителей тока (рис.3 а,г). Вызванный
таким зарядом изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня
Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике n-типа и до вершины
валентной зоны в полупроводнике p-типа. Увеличение этого расстояния
сопровождается обеднением приповерхностной области основными
носителями. При высокой плотности заряда затвора, знак которого
совпадает со знаком заряда основных носителей, по мере приближения к
поверхности расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны в
полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны
проводимости. Вследствие этого, концентрация не основных носителей
заряда /дырок/ у поверхности полупроводника становится выше
концентрации основных носителей и тип проводимости этой области
изменяется, хотя и электронов и дырок здесь мало, почти как в
собственном полупроводнике. У самой поверхности, однако, не основных
носителей может быть столько же или даже больше, чем основных в объеме
полупроводника. Такие хорошо проводящие слои у поверхности с типом
проводимости, противоположным объемному, называют инверсионными (рис).
К инверсионному слою вглубь от поверхности примыкает слой обеднения.
Если знак заряда затвора противоположен знаку заряда основных носителей
тока в полупроводнике, то под его влиянием происходит притяжение к
поверхности основных носителей и обогащение ими приповерхностного слоя.
Такие слои называются обогащенными (рис.).
При слабом обогащении или обеднении приповерхностной области
полупроводника ее размер определяется так называемой дебаевской длинной
экранирования:
где:
-диэлектрическая проницаемость полупроводника;
-концентрация основных носителей тока в нем.
На протяжении слоя напряженность электрического поля, потенциал и
изменение концентрации носителей тока относительно объема
полупроводника уменьшается в раз по сравнению с их значениями на
поверхности.
В случае сильного обеднения толщину обедненного слоя можно рассчитать по
формуле для обедненного слоя в барьере Шотки, заменив в ней на.
Наиболее сложно рассчитать структуру приповерхностного слоя с
инверсионной областью.
В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для
создания транзисторов и на их основе различных интегральных микроcхем.
На рис. схематически показана структура МДП-транзистора с
изолированным затвором. Транзистор состоит из кристалла кремния
/например n-типа/, у поверхности которого диффузией /или ионной
имплантацией/ в окна в оксиде формируются р-области, как показано на
рис. Одну из этих областей называют истоком, другую - стоком. Сверху на
них наносят омические контакты. Промежуток между областями покрывают
пленкой металла, изолированной от поверхности кристалла слоем оксида.
Этот электрод транзистора называют затвором. Hа границе между р- и
n-областями возникают два р-n-перехода - истоковый и стоковый, которые
на рисунке. показаны штриховкой.
Hа рис. приведена схема включения транзистора в цепь: к истоку
подсоединяют плюс, к стоку - минус источника напряжения, к затвору -
минус источника .... . Для простоты рассмотрения будем считать, что
контактная разность потенциалов, заряд в оксиде и поверхностные
состояния отсутствуют. Тогда свойства поверхностной области, в
отсутствие напряжения на затворе, ничем не отличаются от свойств
полупроводников в объеме. Сопротивление между стоком и истоком очень
велико, так как стоковый р-n-переход оказывается под обратным смещением.
Подача на затвор отрицательного смещения сначала приводит к образованию
под затвором обедненной области, а при некотором напряжении называемом
пороговым, - к образованию инверсионной области, соединяющей p-области
истока и стока проводящим каналом. При напряжениях на затворе выше
канал становится шире, а сопротивление сток-исток - меньше.
Рассматриваемая структура является, таким образом, управляемым
резистором.
Однако сопротивление канала определяется только напряжением на
затворе лишь при небольших напряжениях на стоке. С увеличением носители
из канала уходят в стоковую область, обедненный слой у стокового
n-p-перехода расширяется и канал сужается (рис.). Зависимость тока от
напряжения на стоке становится нелинейной.
При сужении канала число свободных носителей тока под затвором
уменьшается по мере приближения к стоку. Чтобы ток в канале был одним и
тем же в любом его сечении, электрическое поле вдоль канала должно
быть, в таком случае, неоднородным, его напряженность должна расти по
мере приближения к стоку. Кроме того, возникновение градиента
концентрации свободных носителей тока вдоль канала приводит к
возникновению диффузионной компоненты плотности тока.
При некотором напряжении на стоке канал у стока перекрывается, при еще
большем смещении канал укорачивается к истоку (рис.). Перекрытие
канала однако не приводит к исчезновению тока стока, поскольку в
обедненном слое, перекрывшем канал, электрическое поле тянет дырки вдоль
поверхности. Когда носители тока из канала вследствие диффузии попадают
в эту область, они подхватываются полем и перебрасываются к стоку. Таким
образом, по мере увеличения напряжения на стоке чисто дрейфовый
механизм движения носителей тока вдоль канала сменяется
диффузионно-дрейфовым.
Механизм протекания тока в МДП-транзисторе при сомкнутом канале
имеет некоторые общие черты с протеканием тока в обратно-смещенном
n-p-переходе. Напомним, что в n-p-переходе неосновные носители тока
попадают в область пространственного заряда перехода вследствие диффузии
и затем подхватываются его полем.
Как показывают теория и эксперимент, после перекрытия канала ток
стока практически насыщается (рис.). Значение тока насыщения зависит
от напряжения на затворе чем выше, тем шире канал и тем больше ток
насыщения (на рисунке). Это типично транзисторный эффект - напряжением
на затворе (во входной цепи) можно управлять током стока (током в
выходной цепи). Характерной особенностью МДП-транзисторов является то,
что его входом служит конденсатор, образованный металлическим
затвором, изолированным от полупроводника. Ток утечки затвора типичных
МДП-транзисторов составляют А и могут быть уменьшены до А. В
рассматриваемом транзисторе используется эффект поля, поэтому такие
транзисторы называются ПОЛЕВЫМИ. В отличии от транзисторов типа p-n-p
или n-p-n, в которых происходит инжекция неосновных носителей тока в
базовую область, в полевых транзисторах ток переносится только основными
носителями. Поэтому такие транзисторы называются также УНИПОЛЯРНЫМИ.
На границе раздела полупроводник - диэлектрик в запрещенной зоне
полупроводника существуют энергетические состояния, называемые
поверхностными или, точнее, состояниями граници раздела (рис.). Волновые
функции электронов в этих состояниях локализованы вблизи поверхности
раздела в областях порядка постоянной решетки. Причина возникновения
рассматриваемых состояний состоит в неидеальности граници раздела
полупроводник - диэллектрик (оксид). На реальных границах раздела
всегда имеется некоторое количество оборванных связей и нарушается
стехиометрия состава оксидной пленки диэллектрика. Плотность и характер
состояний граници раздела существенно зависят от технологии создания
диэллектрической пленки.
Наличие поверхностных состояний на границе раздела
полупроводник-диэллектрик отрицательно сказывается на параметрах
МДП-транзистора, так как часть заряда, наведенного под затвором в
полупроводнике, захватывается на эти состояния. Успех в создании
полевых транзисторов рассматриваемого типа был достигнут после
отработки технологии создания пленки на поверхности кремния с малой
плотностью состояний границы раздела.
В самом оксиде кремния всегда существует положительный "встроенный"
заряд, природа которого до сих пор до конца не выяснена. Значение
этого заряда зависит от технологии изготовления оксида и часто
оказывается настолько большим, что если в качестве подложки
используется кремний р-типа проводимости, то у его поверхности
образуется инверсионный слой уже при нулевом смещении на затворе. Такие
транзисторы называются транзисторами со ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ. Канал в
них сохраняется даже при подаче на затвор некоторого отрицательного
смещения. В отличие от них в транзисторах, изготовленных на п-подложке,
в которой для образования инверсионного слоя требуется слишком
большой заряд оксида, канал возникает только при подаче на затвор
напряжения, превышающего некоторое пороговое напряжение. По знаку это
смещение на затворе должно быть отрицательным для транзисторов с
п-подложкой и положительным в случае р-подложки.
К униполярным транзисторам относят также транзисторы с управляющим
п-р-переходом, структуру которых схематически представлена на рис. Канал
проводимости в таких транзисторах представляет собой узкую область в
исходном полупроводнике, не занятую обедненным слоем п-р-перехода.
Шириной этой области можно управлять, подавая на п-р-переход обратное
смещение. В зависимости от этого смещения меняется начальное
сопротивление сток-исток. Если при неизменном напряжении на
р-п-переходе смещение сток-исток увеличивать, канал сужается к стоку
и ток стока растет с напряжением медленнее, чем при малых смещениях.
При перекрытии канала (рис.) ток стока выходит на насыщение. Как
механизм протекания тока по каналу такого транзистора, так его
выходные характеристики весьма близки к характеристикам МДП-транзистора.
Входное сопротивление полевых транзисторов на низких частотах является
чисто емкостным. Входная емкость образуется затвором и не перекрытой
частью канала со стороны истока. Так как для заряда этой емкости ток
должен протекать через не перекрытую часть канала с сопротивлением, то
собственная постоянная времени транзистора равна. Это время, однако,
очень мало , и в интегральных схемах, применяемых, например, в цифровой
вычислительной технике, длительность переходных процессов
определяется не им, а паразитными емкостями схемы и входными емкостями
других транзисторов, подключенных к выходу данного. Вследствие этого при
изготовлении таких схем стремятся сделать входную емкость как можно
меньшей за счет уменьшения длинны канала и строгого совмещения границ
затвора с границами стока и истока.
При больших напряжениях на стоке МДП-транзистора область объемного
заряда от стоковой области может распространиться настолько сильно, что
канал вообще исчезнет. Тогда к стоку устремятся носители из сильно
легированной истоковой области, точно так же как при "проколе" базы
биполярного транзистора.
При достаточно большом напряжении на стоке может также
возникнуть обычный пробой обратносмещенного стокового р-п-перехода.
Выходные характеристики МДП-транзистора , включающие участки пробоя,
представлены на рис.
Литература:
"Твердотельная электроника" Г.И.Епифанов, Ю.А.Мома.
“Электроника и Микросхемотехника” В.А. Скаржепа, А.Н. Луценко.
 |