Электрические переходы и приборы на их основе

Огромное разнообразие полупроводниковых элементов с заданными характеристиками получают на основе явлений в электрических переходах, образующихся при контакте материалов с различными свойствами.

Значительная часть полупроводниковых структур использует электронно-дырочные (р-п) переходы, содержащие контакт полупроводниковых областей с сильно отличающимися концентрациями дырок (р_;) ~ 10¹³ см ³) и электронов (и" ~ 10¹⁹ см^-3). При их соединении в области перехода вследствие большого градиента (разницы) концентраций свободных зарядов за счет диффузии электронов вр-слой и дырок в и-слой и их рекомбинации происходит образование переходного слоя оставшихся неподвижных ионов, которые создают электрическое поле перехода и потенциальный барьер фо, обеспечивающие динамическое равновесие.

На основе многослойных полупроводниковых структур, содержащих взаимосвязанные переходы, которые позволяют осуществить электрическое управление потоками зарядов, создано множество заготовок для реализации большого числа разных приборов (транзисторов, тиристоров).

Одним из распространенных полупроводниковых приборов является биполярный транзистор (БТ), на основе которого получают другие типы элементов. Структура транзистора содержит эмиттерную (э), коллекторную (к) и базовую (б) области, образующие два взаимодействующих р-и-перехода: «эмиттер — база» и «база — коллектор» (рис. 11.1, а).

Источник U (_a смещает переход в прямом направлении, и при превышении порога отпирания наблюдается поток электронов из высоколегированной области эмиттера п⁺ в базу, т. е. ток г_э = 1_Э

Рис. 11.1. Биполярный транзистор (а), его входная (б) и выходные (в) характеристики и эквивалентная схема (в).

(рис. 11.1,6). При малой ширине базы основная их часть достигнет коллекторного перехода, который напряжением источника U_Kg смещен в обратном направлении. Прошедший из эмиттера через базу поток электронов будет захвачен ускоряющим полем и втянут в коллекторную область, образуя ток г_к = аг_э. Близкую к единице величину, а = 0,9-^0,999 называют коэффициентом передачи тока эмиттера. Таким образом, ток коллектора определяется значением приложенного напряжения и_кб и зависит от тока эмиттера, образуя семейство выходных характеристик (рис. 11.1, в). Образовавшуюся разность токов эмиттера и коллектора компенсирует небольшой ток базы fg = г_э — г_к = (1 — а) г_э.

Эквивалентная схема (модель Эберса — Молла), отражающая принцип действия биполярного транзистора, содержит два диода, моделирующиер-и-переходы, и управляемые источники тока, учитывающие взаимодействие токов переходов (рис. 10.1, г). Диоды характеризуются зависимостями

где 1_Ко, /_эо — токи обратно смещенных переходов.

Наряду с рассмотренным нормальным активным возможны другие режимы работы транзистора. Инверсный режим получают, поменяв точки подключения эмиттера и коллектора. При этом переход «база — коллектор» открыт, задавая ток коллектора *_к, а гок эмиттера равен г_э = а_иг_к. Несимметричность конструкции транзистора приводит к меньшему значению коэффициента передачи тока в инверсном включении а_и = 0,7-^0,9.

В режиме насыщения полярность и напряжения источников таковы, что оба перехода смещены в прямом направлении и падения напряжений на них невелики (11(_)Ш = 0,5-^0,7 В и U_Kim = 0,2^-0,4 В). Если к переходам приложены запирающие напряжения, то транзистор находится в режиме отсечки тока. Модель Эберса — Мола является универсальной, и с ее помощью можно рассчитать токи и напряжения в любом режиме работы транзистора.

В схемах применяют также транзисторы со структурой р-п-р, эквивалентная схема которых имеет подобный вид, но при этом полярности включения диодов и направления источников заменены на противоположные.

В соответствии с принципом действия биполярный транзистор представляет собой прибор, управляемый током, что нашло отражение в принятых моделях.

При использовании структур с большим количеством областей и соответственно переходов разработаны полупроводниковые приборы с более сложными характеристиками (например, тиристоры).

Принцип действия другого типа приборов, называемых полевыми транзисторами (ПТ) или униполярными, основан на изменении удельной электрической электропроводности полупроводникового материала при воздействии электрического поля через диэлектрик.

Транзисторная структура «металл — диэлектрик — полупроводник» (МДП) формируется на полупроводниковой подложке (п) из слаболегированного кремния p-типа в виде областей «⁺-типа истока (и) и стока ©, между которыми расположен канал (рис. 11.2, а).

Часто в качестве диэлектрика используют диоксид кремния. В этом случае структура имеет вид «металл — оксид — проводник» (МОП) и прибор носит название МОП-транзистор. Над каналом помещают изолированный от подложки затвор (з) — управляющий электрод из проводящего материала. При отсутствии напряжения на затворе (и_:1 = 0) ток i_c отсутствует при любой полярности напряжения на стоке и_с, так как область полупроводника между стоком и истоком представляет собой и⁺-р-и⁺-структуру (два встречно включенных перехода).

При небольшом положительном напряжении на затворе электрическая проводимость приграничной зоны уменьшается из-за оттока под действием электрического поля свободных положительных зарядов (дырок). Значительное увеличение положительного напряжения на затворе и сильное возрастание напряженности электрического поля приводят к ионизации и появлению свободных.

Рис. 11.2. Структура МДП-транзистора (а), характеристики: проходная (б), выходные (в), эквивалентная схема (г) электронов (отрицательного заряда в приграничной области). При пороговом напряжении U₀ в приграничном слое полупроводника изменится характер проводимости (инверсия типа проводимости), т. е. в подложке p-типа под действием поля создается канал «-типа. Таким образом, с помощью напряжения на затворе можно управлять электропроводностью приповерхностного слоя (канала).

При и_л > Uо в проводящем канале «-типа от истока к стоку создается ток i_c(u₃), зависящий от напряжения затвора, что нашло отражение в проходной характеристике (рис. 11.2, б). Совместное влияние на ток напряжений затвора и стока приводит к семейству выходных характеристик (рис. 1.12, в), которое на схемотехническом уровне моделируется источником тока, управляемым напряжениями затвора и стока (рис. 11.2, г). Для описания статических характеристик МДП-транзистора обычно используют кусочную модель Хофстайна, которая дает аналитическое описание по участкам:

и₃ — Щ < 0 — отсутствие тока г_с = О (транзистор закрыт); и₍. < и_л — Uо — линейная область г_с = к_{]'1(и._л — Щ)и_с — щ|; и_с > и_л — С/о — режим насыщения г_с = ko (u_:i — По)² (неизменный ток).

Для учета динамических характеристик модель дополняется емкостями полупроводниковой структуры.

Наряду с рассмотренным транзистором с индуцированным (наведенным) «-каналом (рис. 11.3, а) МДП-технология позволила создать множество полевых транзисторов: с индуцированным каналом р-типа (рис. 11.3, б), со встроенными (технологически сформированными) каналами (рис. 11.3, в) и других, обладающих различными параметрами.

Изготовление множества близко расположенных транзисторов на единой подложке интегральной микросхемы требует решения задачи снижения взаимовлияния, или изоляции. Для биполярных транзисторов можно использовать обратно смещенный (закрытый) /?-«-переход. В типовой структуре транзисторов «⁺-р-"-типа наряду с основным образуется паразитный транзистор р-п-р-типа, включающий области база — коллектор — подложка основной структуры (рис. 11.4, а).

Рис. 11.3. Обозначения МДП-транзисторов с индуцированными каналами и-типа (а), р-типа (б), и встроенным каналом и-типа (в).

Рис. 11.4. Структура БТ с изоляциейр-п-переходом (а) и его эквивалентная схема (б).

Образование паразитного транзистора (Т_пар) и изолирующего диода (Д) приходится учитывать путем усложнения эквивалентной схемы (рис. 11.4, б).

Изоляция МДП-транзисторов осуществляется подачей на вывод подложки напряжения, обеспечивающего обратное смещение я⁺-/?-переходов. Отсутствие изолирующих областей увеличивает плотность упаковки приборов, стимулирует их преимущественное применение в цифровых устройствах.

Пассивные компоненты ИМС (диоды, резисторы, конденсаторы) реализуют с использованием структур и отдельных областей транзисторов.