Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 22
Текст из файла (страница 22)
По той же причине не происходит уменьшения подвижности, свойственного МДП-транзисторам. Единственный неизбежный тип шумов у полевого транзистора — это тепловой шум, который свойственен каналу, как и любому резистору. Тепловой шум оценивают по формуле Найквиста: У2 = 4ьтКМ, где Л1 — полоса частот. Подставляя значения Во = 0,5 кОм и 2 омив Л) = 1 Гц, получаем У „= 3 нВ. В приведенном анализе рассматривалась только активная область полевого транзистора — его канал.
Влияние пассивных областей (слоев истока и стока, рис. 4.12) сводится к дополнению эквивалентной схемы резисторами А„и В„включенными последовательно с истоком и стоком. Сопротивления этих резисторов обычно составляют не более 10-20 Ом, так что их влияние (по сравнению с сопротивлением канала) мало существенно. Глава 4. Уяялалярлма тралалатарм Контрольные вопросы 1. Чем отличаются МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом? 2. Как связана удельная емкость затвора с толщиной подзатворного диэлектрика? 3. Что такое пороговое напряжение МДП-транзистора? 4.
Как влияют заряды в окисле и на поверхностных состояниях на пороговое напряжение? 5. Чему равен поверхностный потенциал при пороговом напряжении? 6. Чему равно напряжение спрямления зон? 7. Чему равна разность потенциалов затвор-исток на границе насыщения? 8. С чем связан наклон ВАХ в области насыщения? 9. В каком режиме МДП-транзистор может использоваться в качестве омического сопротивления? 10. Дайте определение крутизны МДП-транзистора. 11. Как зависит внутреннее сопротивление МДП-транзистора в пологой области от тока стока? 12.
Как соотносятся крутизны по затвору и подложке? 13. Чему соответствует критический ток МДП-транзистора? 14. В чем состоит причина нестабильности параметров МДП-транзистора? 15. Как связана постоянная времени крутизны с длиной канала МДП-транзистора? 16. Дайте определение напряжения отсечки полевого транзистора. 17. Как соотносятся входные сопротивления МДП- и полевого транзистора? 18. Как изменяется длина канала полевого транзистора в пологой области при увеличении напряжения на стоке? 19.
Сравните быстродействие МДП- и полевых транзисторов. 20. Сравните уровень шумов МДП- и полевых транзисторов. 21. Каков порядок величины сопротивлений пассивных областей полевого транзистора? Физические принципы работы биполярного транзистора и тиристора 5.1. Введение Биполярный транзистор, наряду с МДП-транзистором, является одним из основных твердотельных приборов, используемых в микроэлектронике. В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей. Поэтому неотъемлемой составной частью биполярных транзисторов являются р — и-переходы. Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда (электронов и дырок) в работе этого класса транзисторов: инжекция неосновных носителей сопровождается компенсацией их заряда основными носителями.
Предметом данной главы являются изучение физических процессов в биполярном транзисторе, а также анализ его основных характеристик и параметров. В конце главы рассмотрены физические основы работы тиристора, представляющего собой соединение не двух, а трех р — я-переходов. Этот прибор часто встречается в микроэлектронных структурах как «паразитный» элемент, способный приводить к сбоям в работе микросхем. 5.2. Принцип действия Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих р — п-переходов. Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они расположены достаточно близко друг от друга — на расстоянии, меньшем диффузионной длины носителей.
Структура транзистора. У реальных транзисторов площади обоих э-и-переходов существенно различаются. Это различие проиллюстрировано на рис. 5.1, а: переход и — р имеет гораздо меньшую площадь, чем яз-р. Кроме того, у большинства транзисторов один из крайних слоев (а именно, слой с меньшей площадью — я ) легирован гораздо сильнее, чем второй (пз). Таким образом, транзистор является асимметричным прибором.
126 Глава б. Фнвипескне ириинипы работы транвистора и тириогора б) о) Рис. б.1. Структура биполярного транвистора: е — реальная; б — идеализированная (бев пассивных областей) Асимметрия транзистора отражается в названиях крайних слоев: сильно легированный слой с меньшей площадью (и ) называют злгиттеролг, а слой с большей площадью (пз) — коллектором. Соответственно различают змиттерный и коллекторный переходы (л1 — р и лв — р). Смысл зтих названий поясняется ниже. Средний слой транзистора называют базой. Каждый из р — и-переходов транзистора имеет донную и боковые части. Рабочей или, как говорят, активной областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттерного перехода (на рис.
5.1„а зта область не заштрихована). Остальные (заштрихованные) участки структуры являются пассивными, т.е. в известной мере паразитными. Пассивные участки можно в первом приближении моделировать резисторами, подключенными к рабочим слоям базы и коллектора.
На рис. 5.1, б активыая область транзистора показана в горизонтальном положении. Здесь же показаны места подключения резисторов гс и г,„, характеризующих пассивные участки. Змиттерному — высоколегированыому — слою присвоен верхыий индекс «+ь. Структура, показанная на рис. 5.1, б, служит основой при аыализе транзисторов. Взаимодействие между змиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой шириной базы и.
У современных транзисторов она обычно не превышает 1 мкм, тогда как диффузионная длина Ь лежит в пределах 5-10 мкм. Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база однородная, то движение носителей в ней чисто диффузионное. Если же база неоднородная, то в ней, как известно, есть внутреннее электрическое поле, и тогда движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с 127 5.2.
Прннпнп дсаствня дрейфом. Транзисторы с однородной базой называют бездрейфоеыми (или диффузионными), а с неоднородной — дрейфовыми. Последиие имеют в иастоящее время наибольшее распростраиеиие в интегральных схемах. Транзистор, показанный на рис. 5.1, характерен тем, что его крайние слои (змиттер и коллектор) имеют проводимость и-типа, а средний слой (база) — проводимость р-типа. Транзисторы с такой структурой иазывают и — р — и-траизисторами. В микрозлектроиике оии играют главную роль и будут основой последующего анализа. Однако используются и транзисторы, у которых змиттер и коллектор имеют проводимость р-типа, а база— проводимость и-типа.
Транзисторы с такой структурой иазывают р — и — р-траизисторами. По принципу действия оии ничем ие отличаются от и — р — л-транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений (см. ниже), а также ряд количественных особенностей. Способы включения.
Зоииая диаграмма л — р — и-траизистора с однородной базой в равновесном состоянии показана иа рис. 5.2. При равновесии уровень Ферми постоянен по всей структуре. Электростатический потеициал (и связанный с иим уровень Е,) изменяется таким образом, чтобы скомпенсировать диффузионное движение носителей, концентрация которых различна в п и р областях. При нормальном включении траизистора па эмиттериом переходе действует прямое смещение„а иа коллекториом — обратное. При атом потенциальный барьер змиттериого перехода уменьшается, а коллекториого — увеличивается (рис.
5.3). Электроны иижектируются из змиттера в базу, проходят ее почти без рекомбинации (поскольку ширина базы мала) и беспрепятственно попадают в коллектор, иаходящийся под положительным потенциалом (см. зоииую диаграм- Ег тм вмс. 5.2. Зснная днаграмма я-р-я-транвнстсра в равновесном состоянии 128 Глава 5.Фнвнческнепрннцнпы работы транвнстора н тнрнстора ю му транзистора на рис. 5.3). Таким образом, при нормальном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители, откуда— его название. Ясно, что при указанной полярно- 1 сти напряжения коллектор способен и„собирать только электроны.
Поэтому важно, чтобы ток змиттера содержал в основном электронную составляющую. Именно поэтому змиттер легируют значительно сильнее, чем базу. Легирование коллекторной области Рнс. 53 Зоннал лл"гамма связано с получением необходимого тэананстоэа пэп ноэмвланом пробойного напряжения обратносмевключении щенного коллекторного перехода. Как правило, коллектор легирован значительно слабее змнттера. В нормальном включении токи коллектора и эмиттера почти одинаковы с точностью до небольшого тока базы. Последний компенсирует убыль основных носителей (дырок) в базе из-за рекомбинации 1которая имеет место даже при очень малой толщине базы), а также в результате инжекции дырок из базы в эмиттер. Сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода очень велико — несколько мегом и более.
Поэтому в цепь коллектора можно включать весьма большие сопротивления нагрузки, не изменяя величину коллекторного тока, Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность. Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (например, при токе 1мА оно составляет всего 2б Ом). Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается несравненно меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, т.е.
является усилительным прибором. Несмотря на асимметрию транзистора, змиттер и коллектор в принципе можно поменять ролями: задать на коллекторный переход прямое напряжение, а на змиттерный — обратное. Такой режим работы называют инверсным включением. Передача тока при инверсном включении значительно хуже, чем при б,2. Принцип действия 129 Э К Э К К Б 3„ +ге Э К Б -е (к ~б Э (ге (1 Па г е) е) Рис. бзй Включение а-р-а-транвистора с общей базой (о) и с общим емиттером (6) и включение р-а-р-транвистора с общей бааой (в) и с общим эмиттером (г). 5 — 3423 нормальном. Причины этого следующие. Во-первых, в связи со слабым легнрованием коллектора, мала электронная составляющая коллекторного тока.
Во-вторых, площадь реального коллектора значительно больше площади эмиттера (рис. 5,1, а), поэтому на змиттер попадает лишь небольшая часть электронов, инжектированных коллектором. Особое место в работе транзистора занимает режим двойной инжекции или, менее точно, режим насыщения. Режим двойной инжекции характерен тем, что на обоих переходах — эмиттерном и коллектором — действуют прямые напряжения, При этом и эмиттер, и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из ннх собирает носители, дошедшие от другого. До сих пор мы задавали напряжение на эмиттере и коллекторе относительно базы (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
