Характерной чертой современного этапа развития науки, техники, экономики является широкое внедрение различных классов вычислительных машин

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Конкурентоспособный человеческий капитал как ключевой фактор инновационного развития, 140.08kb.
• Нп «сибирская ассоциация консультантов», 98.85kb.
• Особенностью современного этапа развития науки является возникновение приоритетных, 40.24kb.
• Юридический архив, 608.56kb.
• Реферат по концепции современного естествознания на тему: «Кибернетика наука ХХ века», 268.34kb.
• Переход мирового сообщества к инновационному типу экономики является одной из ведущих, 211.38kb.
• Характерной чертой роста благосостояния советского народа является возросший спрос, 1438.04kb.
• О журнале «Национальные интересы: приоритеты и безопасность», 15.62kb.
• I. Педагогические технологии с. 5-11, 387.64kb.
• Комкова Основы Государства и права учебное пособие, 5274.68kb.

А его двухтранзисторная модель имеет вид:



В зависимости от состояния дополнительного транзистора Т₂ основной транзистор Т₁ находится в одном из ключевых режимов: отсечки или насыщения. Если Т₂ закрыт, цепь базы Т₁ разорвана и Т₁ открыт, через него протекает ток близкий к I_{к нас}, определяемый параметром внешней цепи. Если же Т₂ открыт, база Т₁ подключена к его эмиттеру и Т₁ закрыт. В применяемых на практике устройствах у одного транзистора обычно имеется несколько коллекторных областей (многоколлекторный транзистор). В ряде конструкций инжектор является общим для группы транзисторов. Одно из основных достоинств интегральной инжекционной логики И²Л – высокая плотность упаковки. Такая конструкция транзисторов (пара Т₁ и Т₂) не требует изолирующих областей и позволяет не только избавиться от привычных сопротивлений нагрузки (уменьшается мощность потерь), но и избавится от проводов питания к каждому переходу. Это обеспечивает большую функциональную плотность интегральных элементов.


Подавляющее большинство элементов биполярных интегральных схем строится на многоэмиттерных транзисторах, которые составляют основу ТТЛ-логики. Структура и условное обозначение многоэмиттерного транзистора таковы:




Под каждым из эмиттерных переходов расположены активные базовые области этих транзисторных структур, а вне этих переходов базовая область пассивна. Связь между соседними эмиттерами осуществляется через соединяющий их участок пассивной области базы, только за счет основных носителей. Поэтому коэффициенты передачи тока между соседними эмиттерами малы и не зависят от расстояния между эмиттерами. Это позволяет создавать компактные структуры на многоэмиттерных транзисторах.


Контактные явления в металлах.

Работа А, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода. При этом переходе на электрон действуют:

- сила притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникающего в металле в результате вылета электронов;

- сила отталкивания со стороны ранее вылетевших электронов, образующих вблизи поверхности проводника электронное облако.

Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности. Она отсчитывается от уровня Ферми W_F.

Уровень или энергию Ферми имеет смысл рассматривать как граничную энергию заполненных состояний при температуре абсолютного нуля. Все нижние состояния электронов, вплоть до состояния с энергией W_F заполнены, а все состояния с энергией, большей W_F, свободны.

Функция распределения электронов при температуре близкой к 0°К показана на рисунке.
_ – среднее число электронов в одном состоянии.

В металлах плотность электронов составляет ,
масса электрона .

В классическом приближении число электронов проводимости в 1см³ одновалентного металла принимается равным



где: А – атомный вес металла;

ρ – его плотность;

N_А – число Авогардо (N_А=6,023∙10²³ 1/моль).

Носителями тока в металлах являются электроны проводимости, возникающие вследствие того, что валентные электроны атомов металла являются обобществленными, т.е. не принадлежащими определенному атому.

Энергии электронов в металле квантованы, т.е. имеют определенное значение. Заполнение электронами энергетических уровней в металле происходит в соответствии с принципом Паули, на каждом уровне располагается не более двух электронов с противоположными спинами.

Верхний энергетический уровень, занятый электронами при абсолютном нуле температуры, называется уровнем Ферми. От него отсчитывается работа выхода электрона А из металла. Число занятых электронами энергетических уровней равно по порядку величины числу свободных электронов в металле.


Близко расположенные энергетические уровни в металле образуют энергетические зоны. Самая нижняя зона, не полностью занятая электронами, называется зоной проводимости металлов. Наличие зоны, не полностью занятой электронами, являются характерной особенностью металлической проводимости.

Если соединить два металла, то на их общей границе возникает контактная разность потенциалов вследствие различной величины работ выхода А₁ и А₂ электронов из этих металлов:

,

где е – абсолютная величина заряда электрона.

Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ) : 1эв=1,6∙10^-12эрг.

Для чистых металлов А колеблется в пределах нескольких эВ.

При А₁>А₂ первый металл заряжается отрицательно, второй положительно.
практически не зависит от температуры.

Второй причиной появления контактной разности потенциалов является различие концентрации n₀₁ и n₀₂ электронов проводимости в контактирующих металлах:

=

где k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура.

По порядку величины 1 в, =Т в; при комнатной температуре ; <<.

При перемещении электронов в контактирующих металлах происходит относительное смещение энергетических уровней электронов. В металле, заряжающемся положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицательно – вверх. В состоянии равновесия, когда прекращается движение электронов через границу металлов, уровни Ферми в обоих металлах совпадают.

При контактировании двух металлов часть электронов переходит из одного металла в другой, образуя двойной слой толщиной . Концентрация электронов в контактном слое и остальном объеме металла одинакова. Поэтому электрическое удельное сопротивление контактного слоя металлов не изменяется по сравнению с сопротивлением остального их объема и контакт двух металлов не дает вентильного эффекта (эффекта выпрямления). Электрический ток проходит через контактный слой одинаково в обоих направлениях.


Биполярные транзисторы в логических интегральных микросхемах в основном выполняют функции переключающих элементов. При этом они работают не только в активном режиме, но и в режимах насыщения и отсечки. В режиме насыщения происходит накопление неосновных носителей заряда в базе транзистора, а также в коллекторной области. Процессы накопления неосновных носителей и их последующего рассеивания при переводе транзистора в режим отсечки или в выключенное состояние связаны с относительно медленным процессом диффузии неосновных носителей заряда. Инерционность этих процессов определяет скорость перевода транзистора из включенного в выключенное состояние, т.е. скорость (время) срабатывания схемы.

Для ускорения процесса рассасывания неосновных носителей заряда целесообразно ограничить их накопление. Достигается это путем шунтирования коллекторного перехода транзистора диодом Шотки, т.е. диодом с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта металла с полупроводником.

Возьмем металл с электрохимическим потенциалом или так называемым уровнем Ферми равным ζ_FM.




ζ_Е - электрический потенциал (потенциал середины запрещенной зоны).


Уровень Ферми для металлов – это такой энергетический уровень, вероятность нахождения на котором заряженной частицы равна 0,5 при любой температуре тела. Для полупроводников это энергия, значение которой зависит от концепции носителей заряда в данном теле. Возьмем также полупроводник р-типа с уровнем Ферми ζ_Fр, причем пусть ζ_FM > ζ_Fр. Соединим этот полупроводник с металлом. Так как энергия электронов металла больше энергии носителей заряда полупроводника, то часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Переход будет продолжатся до тех пор, пока уровни Ферми вблизи контакта не выровняются (в равновесной системе уровень Ферми должен быть единым). В полупроводнике вблизи контакта окажется избыточный заряд электронов, которые начнут рекомбинировать с дырками. Концентрация дырок вблизи контакта уменьшится, так как произведение концентрации носителей заряда в равновесном состоянии при данной температуре – величина постоянная:

n∙p=const.

С уходом электронов из металла тонкий слой, прилегающий к месту контакта, зарядится положительно. В результате у границ контакта возникнут объемные заряды и появится контактная разность потенциалов. Образовавшееся электрическое поле будет препятствовать дальнейшему движению электронов из металла в полупроводник. Результирующий ток через переход будет равен нулю, наступит динамическое равновесие встречно движущихся основных и неосновных носителей заряда. Энергетические уровни на узком приконтактном участке искривлены, толщина этого участка характеризуется так называемой дебаевской длиной lp (). Так как концентрация основных носителей заряда (дырок) в приконтактном слое полупроводника понижена по сравнению с их концентрацией в объеме, то этот слой имеет повышенное удельное сопротивление, которое будет определять сопротивление всей системы.

Если к системе подключить внешнее напряжение, причем плюс – к полупроводнику, а минус к металлу, то возникнет дополнительное электрическое поле, снижающие внутренние электрическое поле в переходе. Сопротивление приконтактного высокоомного слоя уменьшается и через переход потечет ток, обусловленный переходом электронов из металла в полупроводник. При смене полярности приложенного напряжения (плюс к металлу, минус к полупроводнику) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним и приконтактный слой еще сильнее насыщается дырками. Сопротивление перехода увеличивается. Так как электрическое поле не препятствует движению электронов полупроводника р-типа, электроны будут проходить через переход, вызывая ток в цепи, но этот ток очень мал, так как концентрация неосновных носителей заряда (электронов) низка.

Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шотки или диодом Шотки. Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупроводником n-типа.

Структура биполярного транзистора с диодом Шотки имеет вид:




Контакт алюминиевого электрода с р-областью базы оказывается невыпрямляющим, а контакт алюминиевого электрода с относительно высокоомной n-областью коллектора получается выпрямляющим. Из-за неравенства работ выхода электрона из алюминия и из кремния с электропроводимостью n-типа на контакте возникает потенциальный барьер для электронов несколько меньший высоты потенциального барьера p-n-перехода коллектора. Поэтому при прямом смещении коллекторного перехода и соответственно при прямом смещении выпрямляющего контакта алюминий-кремний с электроповодностью n-типа (диод Шотки) основная часть прямого тока коллектора будет проходить через диод Шотки. Этот ток связан с движением электронов из n-области коллектора в металл и не сопровождается инжекцией дырок в n-область коллектора. Поэтому в высокоомной области коллектора не происходит накопления неосновных носителей заряда.

Кроме того, из-за меньшей высоты потенциального барьера на диоде Шотки по сравнению с высотой потенциального барьера на p-n-переходе коллектора при тех же прямых токах коллектора на коллекторном переходе будет меньшее прямое напряжение, что соответствует меньшему количеству накопленных неосновных носителей заряда в базе транзистора при режиме насыщения. В результате время рассасывания в транзисторе с диодом Шотки оказывается значительно меньше (несколько наносекунд), чем время рассасывания в транзисторе аналогичной структуры, но без шунтирующего диода Шотки.

Отметим, что на контакте алюминиевых электродов эмиттера и коллектора также возникают потенциальные барьеры. Но область коллектора и эмиттера есть сильно легированные n+ -области, и возникающие в них потенциальные барьеры имеют настолько малую толщину, что электроны через них проходят практически беспрепятственно путем туннелирования. Таким образом, эти контакты получаются невыпрямляющими.

По сравнению с диодом на p-n-переходе диод Шотки характеризуется низкими значениями падения напряжения в открытом состоянии и временем включения обычно не превышающем 10^-10с. Транзистор с барьером Шотки характеризуется большим коэффициентом усиления, малым инверсным коэффициентом передачи и значительным быстродействием.


Полевые транзисторы.


Для обеспечения нормальной работы биполярного транзистора необходимо одновременное присутствие носителей заряда обоих знаков. Отсюда и название транзистора – биполярный.

Полевой транзистор относится к группе униполярных (однополярных) приборов. В принципе действия транзисторов этого типа лежит использование носителей заряда только одного знака: электронов или дырок. Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае, они не играют существенной роли.

Принцип работы полевого транзистора состоит в следующем. На тонкой полупроводниковой пластине расположены три электрода: И - исток, З - затвор, С - сток.



Если приложить напряжение между истоком и стоком, то по пластине, называемой каналом, потечет ток. Величина этого тока изменяется при приложении к затвору управляющего напряжения. Поскольку управление сопротивлением канала производится электрическим полем затвора, транзисторы этого типа и называются полевыми.

В основном используются полевые транзисторы двух видов: с управляющим p-n-переходом и со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы).

Транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода – электроды истока и стока. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n-переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод – затвор. Внешние напряжения прикладываются так, что между электродами истока и стока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении. Размеры перехода увеличиваются, т.е. увеличивается область обедненная носителями заряда, что приводит к повышению электрического сопротивления канала между истоком и стоком.

Условные обозначения полевого транзистора (канал n-типа и канал p-типа соответственно):



Канал может быть почти полностью перекрыт и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень высоким (десятки МОм). Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока близок к нулю (I_с→0) называют напряжением отсечки. При этом напряжении через транзистор протекают очень малые токи утечки.

Ширина p-n-перехода зависит также от тока, протекающего через канал. Дадим объёмную картину структуры полевого транзистора:



Если Uси  0, например Uси >0, то ток Ic протекающий через транзистор, создаст по длине канала падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор-канал. Это приводит к увеличению ширины p-n–перехода (показано пунктиром). Уменьшается сечение и, следовательно, проводимость канала. Причём ширина p-n-перехода увеличивается по мере приближения к стоку, в области стока будет иметь место наибольшее падение напряжения, вызванное током Ic.

При малых значениях напряжения Uси и малом Ic транзистор ведет себя как линейное сопротивление.

По мере увеличения Uси растет Ic, но уже нелинейно, что связано с сужением канала у стокового конца. При определенном значении тока Ic наступает так называемый режим насыщения, который характеризуется тем, что с увеличением U_си ток Ic меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении U_си канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение U_си и рост тока Ic вызывают дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока Ic. В итоге ток Ic остается почти постоянным. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Оно меняется при изменении напряжения U_зи, если U_зи увеличивается, то U_{си_нас.}уменьшается. При значительном увеличении напряжения U_си у стокового конца наблюдается пробой p-n-перехода. Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление R_вх=10⁷÷10⁹ Ом, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора. Кроме того, управляемый ток в полевом транзисторе – это ток основных носителей заряда, который гораздо лучше реагирует на быстрые внешние сигналы.

В различных интегральных схемах компьютера широко используются полевые транзисторы с МДП-структурой двух типов: транзисторы с встроенными каналами (канал создается при изготовлении) и транзисторы с индуцированными каналами (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). У МДП-транзисторов в отличие от транзисторов с управляющим p-n–переходом металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор, называемый подложкой. Структура транзистора с индуцированным каналом имеет вид:




Управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор.

Пусть в качестве исходного материала транзистора использован кремний, имеющий электропроводность n-типа. Роль диэлектрической плёнки выполняет диоксид кремния SiO_2. (Транзисторы, у которых диэлектриком является оксид (диоксид кремния), называют МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник).) При отсутствии смещения (Uзи=0; Uси=0; Uип=0) приповерхностный слой полупроводника обычно обогащён электронами. При подаче на затвор отрицательного напряжения Uзи<0, электроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности под влиянием электрического поля. Приповерхностный слой приобретает дырочную электропроводность. В нем появляется тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком (показан пунктиром). Этот слой играет роль канала. Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать ток стока. Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением Uзи пор.

По мере удаления от поверхности полупроводника концентрация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (p-n-переход). Благодаря нему сток, исток и канал изолированы от подложки; p-n-переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока транзистора. Следовательно, током стока можно управлять не только путём изменения напряжения на затворе, но и за счёт изменения напряжения на подложке. В этом случае управление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим p-n-переходом.

Толщина обедненного слоя p-n-перехода обычно составляет сотни-тысячи нм, а толщина индуцированного канала составляет всего 1÷5 нм. Другими словами, дырки индуцированного канала "прижаты" к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник-диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки n-типа, где их мало и генерируются они сравнительно медленно, но также и из слоёв p-типа истока и стока, где их концентрация практически неограниченна, а напряжённость поля вблизи этих электродов достаточно велика.

Структура транзистора со встроенным каналом имеет вид: