Эффект поля, Физические приципы работы мдп-транзистора

Эффектом поля называется изменение поверхностной проводимости под влиянием внешнего электрического поля, действующего в направлении, нормальном к поверхности. Этот эффект нашёл ши­рокое применение как при исследовании поверхностных состояний, так и при разработке активных полупроводниковых приборов, а так­же элементов интегральных схем.

Простейшей структурой, в которой реализуется эффект поля (иногда его называют полевой эффект) является структура металл-­диэлектрик-полупроводник (МДП), приведённая на рис. 4.12. Если в качестве диэлектрика используется окисел, то её называют МОП - структура.

Металлический электрод называют затвором и обычно наносят на диэлектрик вакуумным напылением. Если на затвор подать не­которое напряжение смещения относительно полупроводника, то у поверхности его возникнет область объёмного заряда, что приво­дит к искривлению энергетических зон в приповерхностной области.

 

 

 

Рис. 4.12. Простейшая МДП- структура: МЭ -металлический затвор;

                Д -диэлектрик; П - полупроводник;

ОК -омический контакт

 

Слой диэлектрика в такой структуре должен быть достаточно тонкий - доли микрона. Такая структура подобна плоскому кон-денсатору, на обкладках которого индуцируется заряд Q=CU, где C -ёмкость, а U -приложенное напряжение. Однако если в металле заряд локализуется на поверхности, то в полупроводнике он простирается на некоторую глубину, вызывая изгиб зон, изменение концентрации носителей заряда вблизи поверхнос­ти, а также изменение проводимости и ёмкости. Это означает, что изменяя приложенное к обкладкам напряжение, можно модулировать как проводимость, так и ёмкость МДП -структуры.

Вольт-фарадная характеристика МДП - структуры представлена на рис. 4.13. Полная ёмкость структуры складывается из последо­вательно включённых ёмкостей диэлектрика С_Д и ёмкости облас­ти пространственного заряда С_S

 

C=C_ДS_S/(C_Д+С_S)                                        (4.53)

 

 

 

Рис.4.13. Вольт-фарадная характеристика МДП –структуры

 

Ёмкость С_Д постоянна, C_S а зависит от U. При убывании отрицательного смещения вблизи поверхности образуется обедненная область, действующая как диэлектрик. При положитель­ных смещениях ёмкость проходит через минимум, а затем снова возрастает при образовании вблизи поверхности инверсионного слоя.

Такое изменение ёмкости МДП - структуры (получившей назва­ние МДП -диод) позволяет использовать последнюю в качестве МДП варактора. Основной параметр такого прибора – соотношение максимальной и минимальной ёмкостей. Предельная частота прибора:

 

f_пред=(2πSRC₀)^-1                             (4.54)

 

определяется площадью S,сопротивлением R и ёмкостью C₀ на единицу площади при постоянном смещении. На основе МДП -структур работают также лавинные, туннельные и оптические МДП диоды.

Другое важное использование эффекта поля -  создание на его основе полевых и МДП -транзисторов, которые получили название униполярных, поскольку перенос тока в них осуществляется носите­лями одного знака.

На рис. 4.14 схематически показана структура МДП -транзис­тора с изолированным затвором

 

Рис. 4.14. Структура МДП - транзистора с индуцированным каналом (а) и схема его подключения (б)

 

Транзистор состоит из кристалла кремния (например, n-ти­па), в котором сформированы методом диффузии или ионной имплан­тации p -области. Одну из этих областей называют истоком, другую - стоком. Сверху на них наносят омические контакты. Промежуток между областями р - типа покрывают плёнкой металла, изолированной от поверхности кристалла слоем диэлектрика. Этот электрод транзистора называют затвором. На границе между p -типа и n -типа областями возникают два p-n- перехода -истоковый и стоковый, которые на рис. 4.14 показаны штриховкой.

На рис. 4.14,6 приведена схема включения транзистора. Плюс источника питания подсоединяют к истоку, минус - к стоку, к затвору - минус источника U₃

Сопротивление между стоком (С) и истоком (И) очень велико, так как стоковый переход оказывается под обратным смещением. Подача на затвор отрицательного смещения сначала приводит к об­разованию под затвором обеднённой области, а при некотором поро­говом напряжении U₃ к образованию инверсной области, соединяю­щей p - области истока и стока, которая называется каналом. При более высоких напряжениях на затворе 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 значениях U_C увеличением U_C обеднённый слой стокового перехода расширяется и канал сужается, а при некотором напряжении на стоке канал перекрывает­ся. Перекрытие канала, тем не менее, не приводит к исчезновению тока стока, поскольку в этом случае чисто дрейфовый механизм движения носителей вдоль канала изменяется диффузионно-дрейфовым [I]. Перекрытие канала приводит лишь к насыщению тока стока. Значение тока насыщения определяется напряжением на затворе. Чем больше U₃ тем больше ток насыщения. Вольтамперные характерис­тики I_C(U_C) приведены на рис. 4.15.

Характерной особенностью МДП - транзистора является то, что его входом служит конденсатор, образованный затвором, изолированным от полупроводника. Токи утечки затвора типичных МДП - транзисторов составляют порядка 10^-15А.

 

 

 

     Рис.4.15. Вольтамперные характеристики МДП –транзистора

 

Таким образом, МДП -транзистор обладает очень большим входным сопротивлением. Кроме транзисторов с индуцированным каналом существуют транзисторы со встроенным каналом, то есть при нуле­вом напряжении на затворе канал уже существует. МДП –транзисторы могут быть как с каналом p типа, так и n типа. К униполярным транзисторам относят также транзисторы с управляющим p-nпереходом, структура которых схематически представлена на рисунке 4.16

 

 

Рис.4.16. Структура полевого (канального) транзистора с управляющим p-n переходом (а) и схема включения его в режиме перекрытия канала (б)

 

Канал проводимости в таких транзисторах представляет со­бой узкую область в исходном полупроводнике, не занятую обед­нённым слоем p-n переходов. Шириной этой области можно управлять, подавая на p-n переходы обратное смещение. В зависимости от этого меняется сопротивление исток-сток.

Как механизм протекания тока по каналу такого транзисто­ра, так и его выходные характеристики весьма близки к характе­ристикам МДП -транзистора.

 

                           4.7. ЗАДАЧИ К РАЗДЕЛУ 4

4.7.1.В германиевом диоде удельное сопротивление n -об­ласти при температуре 300 К равно 10^-4 0м*м, p области 10^-20м*м. Определить потенциальный барьер на переходе, если концентрация собственных носителей n_i=2*10¹⁹м^-3 подвижности электронов и дырок 0,135 м²/(ВС) и 0,048 м²/(ВС) соответст­венно.

4.7.2.Определить барьерную ёмкость p-n перехода и тол­щину слоя объёмного заряда, если N_д>>N_a  N_a=10²² м^-3  площадь перехода S=3*10^{-4 м2}, потенциальный барьер равен 0,5 В, диэ­лектрическая проницаемость ε=16, внешнее смещение отсутствует.

 

4.7.3.Определить ток через p-n переход при внешнем смещении +0,3 В, если

     σ_p=50 Ом^-1м^-1 σ_p/σ_n=30 D_p=5*10^-3 м²/с  τ_p=300 мкс n_i=10²⁰ м^-3

  U_n/U_p=2    τ_p/τ_n=2 T=300 K площадь перехода S=1 мм²

    Сопротивлением объёма и паразитных утечек пренебречь.

 

4.7.4.         Определить дифференциальное сопротивление p-n- перехода при прямом смещении U=0.1 В Т=290 К  Y₀=1 А/м². Площадь перехода S=10^{-6 м2}

4.7.5.Определить потенциальный барьер на переходе при Т=300 К в образце кремния с удельным сопротивлением дырочной и электронной областей 0,013 и 44,5 Ом*м соответственно. В кремнии подвижности дырок и электронов равны 480 и 1400 см²/(Вс), а концентрация собственных носителей составляет n_i=1.6*10¹⁶ м^-3

 

4.7.6. Определить ёмкость и толщину обеднённого слоя при обратном напряжении смещения 20 В, если ε=16, N_a=4*10²¹м^-3,N_Д=2*10²¹м^-3 потенциальный барьер равен 0,5 В, площадь контакта равна 10^-6м.

 

4.7.7.Оценить толщину обеднённого слоя в полупроводнике и толщину слоя металла, в котором находятся избыточные носите­ли, если расстояние между образцами порядка постоянной решётки (10^{-7 см). Разность работ выхода составляет 1 ЭВ, а концентрация электронов в полупроводнике и металле 1014} и 10²² см^-3соответственно.

 

4.7.8.Транзистор имеет следующие параметры: эффективность эмиттера 99 %, коэффициент переноса 99,5 %, эффективность кол­лектора 100 %. Определить ток коллектора, если ток базы равен 20 мкА, а ток утечки коллектор-база при разомкнутой цепи эмитте­ра составляет 1 мкА. Транзистор включён по схеме с общей базой.

 

4.7.9.Определить эффективность эмиттера в n-p-n -тран­зисторе, толщина эмиттера и базы в котором мала по сравнению с диффузионной длиной. Удельное сопротивление областей эмиттера и базы равны 0,05 и 1,2 Ом*см, а их толщина 15 и 5 мкм.

 

4.7.10. Определить постоянный ток базы для p-n-p -тран­зистора при температуре 300 К. Током утечки перехода база-эмиттер можно пренебречь. Ток коллектора 1 мА. Время жизни носите­лей τ_n=1,7*10^-6 c, подвижность дырок U_p=0.2 м²/(Вс), тол­щина базы W=10^{-5 м.}

 

4.7.11. Удельное сопротивление материала эмиттера германие­вого

        p-n-p -транзистора равно 10^-4 Ом*м. Ширина базы W=10^-4м, её удельное сопротивление 0,05 Ом*м, τ_p =300 мкс, τ_n=20 мкс. Определить коэффициент усиления по току в схеме с общей базой и время прохождения неосновных носителей через ба­зу, если подвижности электронов и дырок равны 0,135 и 0,048м²/(Вс) соответственно.

 

4.7.12. В n-p-n - транзисторе с одинаковой площадью переходов S=10^-6м на  эмиттерном переходе избыточная кон­центрация электронов равна 10²⁰м^-3. В области базы концентрация линейно падает до 0 на коллекторном переходе. Определить ток коллектора, если толщина базы W= 2*10^-5м, подвижность электронов при комнатной температуре равна 0,39 м²/(Bc).

 

                                        Заключение

 

Рассмотренные в данном пособии основы теории кинетических, контактных и поверхностных явлений в полупроводниковых структу­рах необходимы для усвоения дисциплин “Физические основы микроэлектроники ”. Физические принципы рассмотренных явлений лежат в основе работы широкого класса при­боров полупроводниковой электроники и определяют перспективы их развития. Поэтому знание этих принципов и владение методами практического их использования имеет важное значение для подго­товки специалистов в области электроники.

Объём пособия не позволяет охватить всего многообразия физических процессов, протекающих в полупроводниковых структурах. Поэтому основное внимание уделено рассмотрению практических при­меров для наиболее важных из них.

Ряд приведённых задач предназначен для практических занятий, а также для самостоятельного решения.

Списки основной и рекомендуемой литературы предназначены для углуб­лённого самостоятельного изучения предмета.