На рис.4.1 условно показан кристалл, одна часть объема которого имеет дырочную электропроводность, а другая – электронную.

До установления термодинамического равновесия между p- и n-областями и в отсутствии внешнего электрического поля в таком переходе протекают следующие физические процессы. Поскольку концентрация дырок в p-области гораздо выше их концентрации в n-области, то дырки из p-области диффундируют в n-область.

Однако, как только дырки попадают в n-область, они начинают рекомбинировать с электронами, основными носителями зарядов в n-области и их концентрация по мере углубления быстро убывает. Аналогично электроны из n-области диффундируют в p-область. Если бы дырки и электроны являлись нейтральными частицами, то их взаимная диффузия привела бы к полному выравниванию концентрации дырок и электронов по всему объему кристалла, p-n-переход, как таковой, отсутствовал бы.

Встречная диффузия подвижных носителей заряда приводит к появлению в n-области нескомпенсированных положительных зарядов ионов донорной примеси, а в p-области – отрицательных зарядов ионов акцепторной примеси, связанной с кристаллической решеткой полупроводника (рис.4.1,б).

Распределение объемной плотности указанных зарядов ρоб показано на рис. 4.1, в. Таким образом, на границе областей образуются два слоя равных, но противоположных по знаку зарядов. Образовавшаяся область пространственных зарядов (ОПЗ) и представляет собой p-n-переход. Его ширина обычно равна dp-n = 10-3-10-4 мм. Объемные (пространственные) заря­ды в переходе образуют электрическое поле, направленное от положительно заряженных доноров к отрицательно заряженным акцепторам, т.е. от
n-области к p-области. Между p- и n-областями устанавливается разность потенциалов UK, зависящая от материала и уровня легирования. Например, UK для германиевых p-n-переходов составляет 0,3 ÷ 0,4 В, а для кремниевых 0,7 ÷ 0,8 В.

Рис. 4.1. Идеальный плоскостной p-n-переход:

а - отдельные p- и n-полупроводники;

б - схематическое изображение идеального плоскостного p-n-перехода;

в - распределение плотности объемных зарядов;

г - распределение потенциала;

д- распределение электронов проводимости и дырок;

+, – - ионы; «+», «–» - дырки и электроны

Так как электрическое поле неподвижных зарядов p-n-перехода при термодинамическом равновесном состоянии препятствует диффузии основных носителей заряда в соседнюю область, то считают, что между p- и n-областями устанавливается потенциальный барьер φо, распределение потенциала которого вдоль структуры p-n-перехода показано на рис. 4.1, г.

Основные носители заряда при встречной диффузии рекомбинируют в приконтактных областях p-n-перехода, что приводит к образованию в этом месте обедненного подвижными носителями заряда слоя, который обладает малой удельной проводимостью (как беспримесный или собственный полупроводник) и поэтому называется обедненным или запирающим слоем X3 (рис.4.1,д).

4.2. Вольтамперная характеристика p-n-перехода.

Зависимость тока через p-n-переход от приложенного напряжения I=f(U) есть теоретическая вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода (рис.4.2).

Рис.4.2. Вольтамперная характеристика p-n-перехода:

______  зависимость при нормальной температуре Т1;

- - - -  зависимость при повышенной температуре Т2;

Т2>Т1.

При подаче на p-n-переход обратного напряжения ток I быстро достигает значения, равного Io, и затем при повышении обратного напряжения остается практически постоянным. Так как неосновных носителей в областях p и n мало, то при обратном включении ток I, обусловленный только неосновными носителями, мал.

При подаче на p-n-переход прямого напряжения ток I с увеличением U возрастает по экспоненте. Так как основных носителей в областях p и n много, то при прямом включении обусловленный основными носителями ток будет большим.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода существенно зависит от температуры перехода. При увеличении температуры растет концентрация неосновных носителей и резко возрастает обратный ток перехода Io. В идеальных германиевых p-n-переходах при увеличении температуры на каждые 10оС обратный ток удваивается. И хотя в кремниевых переходах зависимость еще больше, но абсолютные значения Iо у кремниевых переходов значительно меньше.

При малом прямом смещении прямой ток p-n-перехода возрастает с увеличением температуры из-за увеличения обратного тока Iо. При больших напряжениях, т.е. при больших прямых токах, основную роль играет проводимость полупроводника, которая уменьшается с увеличением температуры, поэтому прямые ветви ВАХ изменяются относительно мало.

Контрольные вопросы:

1.     Что называется электрическим переходом в полупроводниковых изделиях?

2.     Какие p-n-переходы Вы знаете?

3.     Какие переходы называются изотипными?

4.     Расскажите об идеальном плоскостном p-n-переходе.

5.     Нарисуйте ВАХ для p-n-перехода.

6.     Как изменяется ВАХ при повышении температуры?

7.     Дайте характеристику потенциального барьера.

Глава 5. Биполярные и полевые транзисторы.

Транзистором называют активный полупроводниковый прибор, используемый для усиления или генерирования электрических сигналов.

В переводе с английского составное слово «транзистор» означает «преобразователь сопротивлений». В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на биполярные и полевые.

Биполярные транзисторы – это полупроводниковые приборы с двумя встречно-направленными p-n-переходами, созданными в одном кристалле, и тремя внешними выводами.

Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы, в которых изменение тока происходит под действием перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков; в полевых (часто называемых униполярными) – протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака. В качестве полупроводниковых материалов для изготовления биполярных транзисторов используются преимущественно кремний, германий и арсенид галлия (GaAs).

По физическим эффектам, лежащим в основе управления носителями заряда, полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим p-n-переходом и со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзистор). В полевых транзисторах в качестве полупроводникового материала используют в основном кремний и арсенид галлия, в качестве диэлектрика – оксид кремния SiO2 (в МОП-транзисторах) или сложные структуры, например SiO2-Al2O3, SiO2-Si3N4 и др. (в МДП-структурах).

5.1. Структура биполярных транзисторов и принцип действия.

Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода - плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных p-n-p и n-p-n типов показаны на рис.5.1.

Биполярный транзистор имеет области: эмиттер, база и коллектор – два p-n-перехода. Эмиттерный переход (на границе областей эмиттер-база) и коллекторный (на границе областей база-коллектор). Базовая область (база Б) – область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) – область, назначение которой – инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n-типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжек­тируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n-типа - электронами.

Рис.5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа; в) распределение концентраций основ­ных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равно­весном состоянии; W- толщина базы

На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода - обратную ветвь.

Основная особенность биполярного транзистора заклю­чается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В бипо­лярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполне­ние следующих требований:

1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей Lб, т.е.
W= 1,5 - 25 мкм < Lб.

2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.

3. Концентрация основных носителей в области коллек­тора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.

4. Площадь коллекторного перехода должна быть в не­сколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Все положения, рассмотренные ранее для одного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В отсутствие внешнего напряжения наблюдается дина­мическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через p-n-переходы, и общие токи равны нулю.

Транзистор p-n-p-типа в активном режиме включения по­казан на рис. 5.1, а. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный - в обратном. При этом через эмиттерный переход должен протекать большой прямой ток IЭ, а через коллекторный переход – малый обратный ток коллектора.

Основные носители заряда в эмиттере – дырки – диффундируют из-за разности концентрации в базу, становясь там неосновными носителями. Процесс перехода носителей зарядов из эмиттера в базу называют инжекцией. По той же причине электроны из области базы диффундируют в область эмиттера, поэтому ток диффузии эмиттера имеет две составляющие – дырочную Iэp и электронную Iэn: Iэ= Iэp+ Iэn. Так как концентрация дырок в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то дырочный ток Iэp преобладает над электронным током из базы Iэn, т.е. Iэp >> Iэn, поэтому можно принять, что ток базы для p-n-p-транзисторов Iб ≈ Iэp.

5.2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом – полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей заряда управляется поперечным электрическим полем обратно смещенного p-n-перехода (или переходов).

Простейший полевой транзистор с управляющим p-n-переходом состоит из полупроводниковой пластины, имеющей электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода – электроды стока (С) и истока (И), с одним (рис.5.2,а) или двумя p-n-переходами p-n-переходами (рис.5.2,б) от которого сделан третий вывод – затвор (З).

Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком. На рис.5.2,в дана одна из структур выпускаемых промышленностью полевых транзисторов. Действие этих транзисторов основано на зависимости толщины пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода от приложенного к нему напряжения.

При включении между истоком и стоком транзистора источника напряжения E1 (или ЕСИ) по каналу от истока к стоку потечет ток основных носителей (в данной структуре – электронов), величина которого определяется приложенным напряжением и сопротивлением канала. Если на затвор транзистора подать напряжение Е2 (или ЕЗИ) так, чтобы p-n-переход (или переходы) оказались смещенными в обратном направлении, то переход (переходы) расширяясь, уменьшают ширину канала W.

Рис 5.2. Упрощенная структура полевого транзистора: (а) - с одним управляющим p-n-переходом; (б) - с двумя управляющими p-n-переходами; (в) - типовая структура.

Уменьшение поперечного сечения канала приводят к увеличению его сопротивления и собственно к уменьшению протекающего по каналу тока.

5.3. МДП-транзисторы.

У МДП-транзисторов, в отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеет дополнительный вывод от кристалла на котором выполнен прибор, называемый подложкой П (рис. 5.3). В этих транзисторах управляющий электрод, т.е. затвор, отделен от канала тонким слоем диэлектрика (0,05 ÷ 0,20 мкм) и допускает приложения напряжения любой полярности. Если в качестве диэлектрика применен оксид кремния, то эти транзисторы называются МОП-транзисторами (т.е. со структурой металл-оксид-полупроводник).

МДП-транзисторы по способу образования канала подразделяются на транзисторы со встроенным каналом (канал создается при изготовлении) и с индуцированным каналом (ка­нал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). Важными параметрами МДП-транзистора являются длина канала L (обычно 0,1 - 5 мкм), ширина канала z (на рис. 5.3, б), толщина диэлектрика (изолятора) d с диэлектрической постоянной εi, и проводимость канала.

Рис. 5.3. Разрез структуры МДП-транзисторов с каналом p-типа:
а - планарный транзистор со встроенным каналом; б - параметры МДП-транзистора; в - планарный транзистор с индуцированным каналом:
1 - диэлектрик; 2 - канал

Существенным преимуществом МДП-транзисторов явля­ется высокое входное сопротивление, достигающее значений более 104 МОм вместо более 10 МОм у транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Устройство транзистора со встроенным p-каналом схема­тично представлено на рис. 5.3, а. Основой является пластина слаболегированного кремния с электропроводностью n-типа. Области стока и истока обладают электропроводностью p+-типа, соединенные узкой слаболегированной областью кремния с электропроводностью p-типа, что является встроенным каналом. Затвор представляет собой металлический слой, изо­лированный от канала тонким диэлектриком толщиной d. В транзисторе со встроенным каналом происходит расширение или сужение имевшегося канала в результате приложения от­рицательного или положительного напряжения соответственно. При положительном напряжении на затворе дырки прово­димости оттесняются из области канала в объем полупровод­ника электропроводностью n-типа. Канал обедняется носите­лями заряда, сужается к стоку. При подаче на затвор отрицательного напряжения происходит обогащение дырками объема канала, он расширяется, и его проводимость возраста­ет.

Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно изменять проводимость канала, т.е. ток, проходящий через этот канал.

В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для прекращения его необходимо к затвору приложить положительное напряжение (для случая с каналом p-типа), равное напряжению UЗИотс. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется, и ток увеличивается.

Структура МДП-транзистора с индуцированным p-каналом показана на рис. 5.3,в. В качестве исходного материала транзистора использован кремний n-типа. Чаще всего диэлектриком используется оксид кремния SiO2. В оксиде кремния всегда содержатся положительно заряженные ионы, обусловленные такими ионизирующими примесями, как положительные ионы натрия, калия, водорода, осаждаемые на поверхность кремния в процессе выполнения технологических операций. Положительный заряд в пленке оксида кремния наводит (индуцирует) в поверхностном слое n-области слой накопления электронов, в котором концентрация электронов выше, чем в объеме n-области. При подаче на затвор отрицательного напряжения UЗИ электроны поверхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерхностный слой приобретает дырочную электропроводность, т.е. появляется тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком, который играет роль канала. Толщина индуцированного канала составляет всего 1-5 нм. При приложении напряжения между истоком и стоком дырки, перемещаясь по каналу, создают ток истока. Изменяя напряжение на затворе, можно расширять или сужать канал, увеличивая или уменьшая ток стока.

5.4. Методы получения транзисторов.

P-n-переходы транзисторов получают методами сплавления, диффузии, эпитаксии, выращивания.

Планарные переходы получили свое название потому, что
p-n-переходы диодных или транзисторных структур и контакты по всем областям расположены на одной плоскости полупроводникового кристалла.

Последовательность основных технологических этапов получения диффузионных транзисторов n-p-n-типа планарного типа следующая: