Г.П. Яровой, П.В. Тяпухин, В.М. Трещев, В.В. Зайцев, В.И. Занин - Основы полупроводниковой электроники, страница 17

Этоявление называют эффектом поля.На рис. 7.2 изображен полевой транзистор со встроеннымканалом n-типа. На p—n-подложке создается канал n-типа идве сильно легированные области n+-типа, контактирующие сметаллическим электродом и являющиеся омическим контактом к концам канала, которые называются истоком и стоком. Область канала покрыта слоем диэлектрика, на которыйнапыляется металлический электрод, называемый затвором.В зависимости от знака напряжения на затворе, поданного поотношению к истоку, можно либо обогащать область каналаосновными носителями, либо обеднять ее.

Соответственнопри этом будет меняться ток между истоком и стоком.7.2. Полевой транзистор сизолированным затворомДля определенности рассмотрим приборы с n-проводимостью, однако рассуждения можно легко распространить и наприборы p-типа,изменив n на p и поменяв полярностьнапряжения.Рис. 7.3. Полевой транзистор с индуцированным каналомНа рис. 7.3 показан полевой транзистор с индуцированным каналом.

Следует отметить, что отличие между этимитипами транзисторов заключается в том, что МДП синдуцированным каналом работает только при однойполярности – при положительном напряжении.Найдем зависимость между током канала и напряжениемна стоке, т.е. выходящую вольт-амперную характеристику наМДП транзистора со встроенным каналом, работающим врежиме обеднения канала (рис. 7.4).Рис. 7.2. Полевой транзистор со встроенным каналом n-типа123124Рис. 7.4. Модель для расчета вольт-амперной характеристики МДП транзистора обедненного типа совстроенным каналомЕсли считать, что падение напряжения вдоль канала засчет протекания по нему тока много меньше, чем напряжениемежду затвором и каналом, то величина объемного заряда,индуцированного в канале напряжением затвора, определяется как в любом конденсаторе по формулеQ = CV3 ,где C − емкость структуры затвора, V3 – напряжение затвора,a и b – толщина и ширина канала, l – длина канала.Если ∆n − изменение концентрации электронов в каналепри приложении к затвору напряжения V3 , то проводимостьканала, считая, что подвижность bn не зависит от поля, можно записать так:Q σ = ebn (n + ∆n ) = ebn  n +=eab ⋅ l (7.1)bnCbnC(V3 ± V30 ),= σ0 +V3 m Vc =ablabl()125где σ 0 = ebn n − удельная проводимость при V3 = 0 иσ ablenabl− напряжение отсечки, т.е.

напряжеV30 = − 0=−bn eCние на затворе, при котором σ = 0 .Для режима обеднения V3 < 0 выражение σ удобно записать какbCσ = n (V30 − V3 ),ablгде V30 положительно, а под V3 подразумевается его абсолютная величина.Сопротивление канала равно1 ll21R==.(7.2)σ ab bn C (V30 − V3 )Если напряжение на стоке Vc > 0 , то ширина канала вдолькоординаты x неодинакова, и, следовательно, формулу (7.2)можно применять лишь для участка dx :dR R= ,dx ldR =Rldxdx =.lbn C V30 − [V3 + V ( x )](7.3)Поскольку ток i , протекающий через любое сечение канала одинаков и dVc = idR , то, подставляя вместо dR выражение (7.3) и интегрируя с граничными условиямиx = 0, V = 0, x = l , V = Vc′ , получимVc ′l ldx.(7.4)bnC ∫00Отсюда легко получить формулу для нахождения токачерез канал:∫ [V30 − (V3 + V )]dV = i126bnC 1 V − V3 − Vc′ Vc′ .(7.5)2  30l 2 Это выражение применимо только при условии, чтоV30 > (V3 + Vc ) и канал не перекрыт.

Отсечка тока до нуля приэтом невозможна, т.к. если ток прервется, то канал сразу откроется. Таким образом, с ростом Vc ток перестает увеличиваться, т.е. должно наблюдаться его насыщение.На рис. 7.5 представлены выходные характеристики МДПтранзистора со встроенным каналом. Ток насыщения можнонайти, если подставить выражение Vc = V30 − V3 :bC2iнас = n 2 (V30 − V3 ) .(7.6)2li=7.3. Полевой транзистор с p−n-переходомНедостатка, связанного с поверхностными состояниями,лишены полевые транзисторы с p–n-переходом (см.

рис. 7.6).Инерционность полевых транзисторов этого типа определяется временем перезарядки емкости затвора C n и временемпролета носителей заряда через канал. Предельная рабочаячастота связана с постоянной времени затвора τ 3 = RC n :v=ν=Рис. 7.5. Вольт-амперные характеристики тока между истоком и стоком для МДП транзистора со встроенным каналомОтсюда крутизна характеристики на участке насыщенияравнаbCg = n2 (V30 − V3 ).(7.7)lПоверхностные состояния на границе диэлектрик – полупроводник ведут себя таким образом: ухудшается глубинамодуляции, что, в свою очередь, ведет к ухудшению крутизны ВАХ.12711=.2πτ 3 2πRC n11=2π − τ 3 2πRC3nРис. 7.6. К объяснению принципа действия канального транзистора с управляющим p–n-переходом: а − смещение на стоке равно нулю; б – перекрытие канала приувеличении смещения на стокеСопротивление R есть часть сопротивления канала, через которую происходит зарядка емкости C n .

МДПтранзисторы с изолированным затвором по сравнению странзистором сp–n-переходом имеют то преимущество, что у них большаявеличина входного сопротивления и есть возможность работать при обеих полярностях входного напряжения.128Недостатком является влияние поверхностных состояний.Однако неоспоримым достоинством полевых транзисторовлюбого типа перед биполярными является то, что они работают на основных носителях, концентрация которых в примесных полупроводниках в зависимости от температуры меняется незначительно. Температура может влиять на токтолько через уменьшение подвижности носителей с ростом Tи благодаря тому, что часть электронов, захваченных на поверхностные уровни, может переходить в зону проводимости.Однако эти изменения намного меньше, чем реакция на температуру концентрации неосновных носителей, на которыхоснована работа биполярных транзисторов.8.

ПРИБОРЫ НА ЭФФЕКТАХ СИЛЬНОГОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ__________________________________________8.1. Туннельные диодыТуннельные диоды изготавливают из сильно легированных полупроводников, находящихся в вырожденном состоянии. Уровень Ферми в таких полупроводниках располагаетсяне в запрещенной зоне, а внутри зон: внутри зоны проводимости для n-области и внутри валентной зоны для p-области.Рис. 8.1. Энергетическая схема туннельного переходапри различных напряжениях129На рис. 8.1, а показана энергетическая схема туннельногоперехода в равновесном состоянии. Нельзя не заметить, чтоимеет место перекрытие зон: валентная зона p-области частично перекрывается зоной проводимости n-области.

Это делает возможным туннельное просачивание электронов из p- в130n-область (переходы1) и из n- в p-область (переходы 2). Поток1 создает обратный туннельный ток. В отсутствие внешнегополя эти токи равны, и результирующий ток через переходравен нулю. При приложении к p–n-переходу обратного смещения перекрытие зон увеличивается (рис. 8.1, б), вследствиечего число электронов, переходящих из p-области в nобласть, оказывается больше числа электронов, переходящихиз n- области в p-область, и в переходе возникает обратныйток, увеличивающийся с ростом обратного смещения.При подаче на переход прямого смещения степень перекрытия зон уменьшается, вследствие чего поток электронов изn-области в p-область начинает превышать поток электроновиз p-области в n-область, и в переходе возникает прямой туннельный ток (рис.

8.1, в), растущий с увеличением прямогосмещения. Максимального значения этот ток достигает притаком смещении, когда дно зоны проводимости n-областирасполагается на одном уровне с уровнем Ферми p-области.При дальнейшем росте прямого смещения число занятых состоянийn-области, лежащих против свободных состояний p-области,уменьшается, что вызывает уменьшение числа переходовэлектронов из n-области в p-область и, как следствие этого,уменьшение прямого тока. Прямой ток достигает минимального значения при таком смещении, при котором дно зоныпроводимости n-области располагается на одной высоте свершиной валентной зоны p-области (рис. 8.1, г).Дальнейшее увеличение прямого смещения вызываетинжекцию неосновных носителей заряда, как в обычном диоде, и появление в p−n-переходе диффузионного тока, растущего по экспоненте с ростом прямого смещения (рис.

8.1, д).Из рис. 8.1, д видно, что основной особенностью вольтамперной характеристики туннельных диодов является наличие падающего участка, на котором диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это свойствотуннельных диодов позволяет использовать их для генериро131вания электромагнитных колебаний, а также в качестве переключателей, смесителей. Так как в области туннельных токоввремя накопления и рассасывания неосновных носителей уэтих диодов очень мало, то они обладают более совершенными частотными характеристиками и быстродей-ствием посравнению с обычными диодами.8.2. Диоды ГаннаВ сильных электрических полях подвижность носителейзаряда начинает зависеть от напряженности приложенногополя: µ = µ (E ) . Учитывая это, дифференциальную проводимость можно записать: E dµ dµdi= enµ + enE= σ 1 +σd =(8.1).dEdE µ dE Видно, что σ d может быть величиной как положительной, так и отрицательной.

Второй случай реализуется, когдаE dµE dµ<0 и> 1 , и чаще всего наблюдается в полупроµ dEµ dEводниках, имеющих в зоне проводимости более одного минимума энергии. К таким полупроводникам, в частности, относится GaAs.Рис. 8.2. Структура зоны проводимости GaAs132На рис. 8.2 представлена структура зоны проводимостиэтого полупроводника.

Как видно, два минимума зоны проводимости (две долины L, M) разделены энергетическим зазором ∆E c = 0.36 эв . Существенно, что эффективные массыэлектронов, находящихся в этих долинах, различны, поскольrку им соответствуют разные выражения для функции E (k ) . Вминимуме L эффективная масса электрона составляет∗mnL= 0.068m0 ( m0 − масса электрона) и подвижность электрона высока ( µ nL ~ 10 4 см2/В с).