Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

приборы, которые способны усиливать электрическую мощность'. Транзисторы имеют очень много конструктивно-технологических разновидностей, но по принципу действия их делят на два основных класса: униполярные и биполярн ые. Работа униполярных транзисторов основана на использовании только одного типа носителей — основных (или электронов, или дырок). Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае они не играют принципиальной роли. Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле. Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно менять либо удельную проводимость полупроводникового слоя, либо его площадь.

На практике используется и тот, и другой способ, причем в основе обоих способов лежит эффект поля. Поэтому униполярные транзисторы обычно называют полевьзми транзисторами. Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называют каналом. Отсюда еще одно название такого класса транзисторов — канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действеим внешнего поля.

Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем. Оба варианта каналов, а также способы их р .з.ь ) Именно усиление мощности (а не порознь напряжения и тока) есть тот критерий, по которому прибор можно относить к усилительным. Например, трансформатор усиливает напряжение (за счет тока) нли ток (за счет напряжения), но не усиливает мощность и поэтому ие относится к усилительным приборам.

Глава 4. Уииполяриме траизисторм Канал Транзисторы с приповерхностным каналом (рис. 4.1, а) имеют классиче- ,' ~' р 1 и скую структуру металл — диэлект- рик — полупроводник (МДП). Их назыз) вают МДП-транзисторами. В частном случае, если диэлектриком является 1 + окисел (двУокись кРемниЯ В)Оз), испол 11' 11 льзуется название МОП-транзисторы. Транзисторы с объемным каналом Канал б) (рис.

4.1, б) характерны тем, что обедненный слой создается с помощью Рнс 4Л. Принция использования канало в унипо. Р и-перехода. Поэтому их часто назызоваиия каналов в униполярнмк транзисторал: вают нолевыми транзисторами с з — приповерлностнмй р — и-переходом. Однако это название "-кан'л' длинное и неудобное. Поэтому ниже озьеиимй Р "ан'"' мы будем называть их просто лолевы- 1 — обедненный слой ми транзисторами.

Несмотря на различие в структуре, полевые и МДП-транзисторы имеют много общего. Обоим транзисторам свойственна явно выраженная управляющая цепь (с источником напряжения (1), четко отделенная от управляемой цепи, в которой протекает рабочий ток 1. Управляющая цепь практически не потребляет тока, поскольку в нее входит либо участок диэлектрика (рис. 4.1, а), либо обратносмещенный и-переход (рис. 4.1, б).

Направление электрического полн, создаваемого управляющим напряжением, перпендикулярно направлению тока. Наряду с общими чертами каждый из этих двух транзисторов обладает, конечно, и рядом отличительных особенностей. 4.2. МДП-транзисторы Реальная структура МДП-транзистора с н-каналом, выполненного на основе полупроводника, показана на рис. 4.2. Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (3). Два других электрода называют истоком (И) и стоком (С). Эти электроды в принципе обратимы.

Стоком является тот из них, на который ( при соответствующей полярности напряжения) поступают рабочие носители канала. Если канал п-типа, то рабочие носители — электроны и полярность стока положительная. Исток обычно соединяют с основной пластиной полупроводника, которую называют подложкой (П). 4.2. МДП-транзисторы 101 Диэлектрик Принцип действия.

В идеальном случае, когда равновесный потенциал поверхности равен нулю (<узе — О), МДП-транзистор с п-каналом работает следующим образом. Пусть затвор соединен с истоком, т.е. У О. При этом канал отсутствует и на пути между стоком и истоком оказываются два встреч- Рнс. 4.2. Структура МДП-траизистора новключенных р — и'-перехода. Поэтому при подаче напряжения У ток в цепи стока будет ничтожно мал. Если подать на затвор отрицательное напряжение, то приповерхностный слой обогатится дырками; при этом ток в рабочей цепи мало изменится.

Если же подавать на затвор все большее положительное смещение У,„> О, то сначала образуется обедненный слой (объемный заряд акцепторов), а затем — инверсионный слой электронов, т.е. проводящий канал. После этого ток стока принимает конечное значение и зависит от напряжения на затворе. Это и есть рабочий режим МДП-транзистора. Поскольку входной ток (в цепи затвора) ничтожно мал, получается значительное усиление мощности. Каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированпими. Толщина индуцированного канала практически неизменная (1 — 2 нм), поэтому модуляция его проводимости обусловлена изменениями концентрации носителей.

Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называют пороговым напряжением и обозначают Уэ. Длина канала Ь равна расстоянию между слоями истока и стока, а ширина Š— протяженности этих слоев (рис. 4.2). Если выбрать подложку п-типа, а слои истока и стока сделать р+-типа, то получится МДП-транзистор с индуцированным р-каналом. Он характерен обратными полярностями порогового и рабочих напряжений: Уэ < О, Уаи < О, У,„< О. Электронные схемы, в которых используется сочетание транзисторов с п- и р-каналами, называют комплементарными схемами. гов Глава 4. укиполярньж транзисторы Подложку МДП-транзисторов стараются делать из материала с высоким удельным сопротивлением, с тем чтобы облегчить образование канала и увеличить пробивное напряжение переходов истока и стока.

В принципе механизм работы и свойства МДП-транзисторов одинаковы. Однако есть и некоторые различия. Во-первых, п-канальные транзисторы более быстродействующие, так как подвижность их рабочих носителей — электронов — примерно в три раза выше, чем дырок. Во-вторых, у и- и р-канальных транзисторов структура приповерхностного слоя в равновесном состоянии оказывается разной, и это отражается на величине порогового напряжения. Различие в структуре приповерхностного слоя объясняется разным влиянием положительного заряда, который обычно имеется в окисле.

В подложке и-типа этот заряд создает обогащенный слой, который препятствует образованию р-канала, соответственно пороговое напряжение у р-канальных транзисторов увеличивается. В подложке р-типа тот же заряд создает обедненный слой, т.е. способствует образованию и-канала; соответственно пороговое напряжение у и-канальных транзисторов уменьшается. Иногда положительный заряд в окисле может образовать не только обедненный, но и инверсионный слой, т.е. и-канал.

Поскольку такой канал существует при нулевом напряжении на затворе, его уже нельзя считать индуцированным (т.е. наведенным полем затвора). Значит, величина порогового напряжении теряет свой обычный смысл. В транзисторах этого типа канал называют встроенным (т.е. имеющимся езаранеез), а вместо порогового напряжения вводят параметр напряжение опгсечми. Это — напряжение, при котором электроны равновесного инверсионного слоя отталкиваются от поверхности и встроенный канал исчезает'.

Вообще говоря, наличие встроенного канала не является препятствием для использования МДП-транзисторов. Такие транзисторы работают при обеих полярностях 1 Для того, чтобы предотвратить образование равновесного канала, при изготовлении л-канальных абдп-транзисторов приходится использовать специальные меры по обработке поверхности кремния и диэлектрика, а также использовать подложку с повышенной концентрацией акцепторов. Все это делает технологию л-канальных транзисторов несколько сложнее, чем р-канальных. 103 4,2.

Мдп.транзисторы напряжения затвора: при отрицательной полярности канал обедняется носителями и ток стока уменьшается, при положительной полярности канал обогащается и ток увеличивается. Однако транзисторы с индуцированным каналом имеют гораздо большее распространение, хотя они работают только при одной по- И С лярности напряжения на затворе— той, при которой возникает канал. В тех сравнительно редких случаях, когда встроенный канал желателен, его обычно специально осу- Рис. 4.3.

Структура ществляют в виде тонкого приповерхностного слоя с помощью со встроенным в-каналом ионного легирования (рис. 4.3). В дальнейшем рассматриваются только транзисторы с индуцированным п-каналом. Пороговое напряжение. Напряжение затвора наводит в полупроводнике тем больший удельный заряд (на единицу площади), чем больше удельная емкость между металлом и поверхностью полупроводника. Значит, удельная емкость затвор — канал определяет упровляющую способность затвора и поэтому является одним нз важных параметров МДП-транзистора.

Характеристики

Список файлов книги