Тема №5 (Конспект лекций)

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 L_б, т.е.
W= 1,5 - 25 мкм < L_б.

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 I_Э, 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 I_эp и электронную I_эn: I_э= I_эp+ I_эn. Так как концентрация дырок в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то дырочный ток I_эp преобладает над электронным током из базы I_эn, т.е. I_эp >> I_эn, поэтому можно принять, что ток базы для p-n-p-транзисторов I_б ≈ I_эp.

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 Е_СИ) 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 Е_ЗИ) 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 ε_i, 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 U_ЗИотс. 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 U_ЗИ 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:

Проведение диффузионных процессов происходит с использованием процессов фотолитографии.