Физические основы элементной базы полупроводниковой микроэлектронники

                            ⁼ + .                                              (3.4)

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток называется тепловым током, поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т.е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному, и он является источником неустранимых шумов при работе любого полупроводникового прибора.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому, т.е. ток, проходящий через р—n-переход, равен нулю, что соответствует определенной высоте потенциального барьера.

Установившаяся высота потенциального барьера ₀ в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов (U_K в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы р— n-перехода. Величина ₀ зависит от температуры и материала полупроводника, а также от концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера уменьшается. При комнатной температуре для германия ₀ = 0,3... 0,5 В, для кремния ₀ = 0,6...0,8 В.

С физической точки зрения при контакте областей с различным типом проводимости наличие градиента концентрации с обеих сторон приведет к тому, что, стремясь к равновесию, часть электронов перейдет из n-области в p-область, а часть дырок — из р- области в n-область, создав двойной электрический слой, как это показано на рис. 3.4, б. Его равновесие поддерживается, с одной стороны, силами кулоновского взаимодействия, а с другой стороны, стремлением системы к выравниванию концентрации носителей.

Если приложить к p-области отрицательный потенциал (включить р — n-переход в обратном направлении), то потенциальный барьер вырастет и ситуация усугубится — область двойного слоя расширится и никакого движения основных носителей заряда через р — n-переход не будет. Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через р — п- переход, и она уменьшается, а при некотором значении приложенного потенциала — совсем прекращается.

Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от р — n-перехода. Соответственно расширяются слой, обедненный носителями заряда, и р — n -переход, причем его сопротивление возрастает. В p-области положительные носители заряда (дырки) частично притянутся к отрицательно заряженному электроду, увеличив область, занятую диффундировавшими в нее электронами. В n-области электроны притянутся к положительно заряженному электроду, обнажив ионы, расположенные в узлах кристаллической решетки, увеличив тем самым область, занятую положительным зарядом в л-области. Таким образом, при таком способе включения область двойного электрического слоя увеличится и никакого движения основных носителей через р — n -переход не будет.

Внутреннее электрическое поле в р — n -переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к р — n -переходу электрическое поле захватывает их и переносит через р — n -переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из p-области в n-область, а дырки — из n-области в p-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, создаваемый их движением ток через р — n -переход очень мал. Ток, протекающий через р — n -переход при обратном напряжении, называется обратным током. Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током, который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захвата электрическим полем р — n -перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через р—п-переход в область с противоположным типом электропроводности называется экстракцией. Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентрации в данной области около границы р — n -перехода практически до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей заряда из глубины области в направлении к р — n -переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда создает электрический ток, а компенсация убыли электронов происходит за счет внешней цепи от минуса источника питания.

Рассмотрим включение перехода в прямом направлении, когда к p-области приложен положительный потенциал. Такой потенциал называется прямым потенциалом, или прямым напряжением U_np. Поскольку сопротивление перехода во много раз больше сопротивления р- и n-областей, все прямое напряжение почти полностью падает на переходе. Полярность внешнего напряжения U_np противоположна полярности контактной разности потенциалов U_K, поэтому электрическое поле, созданное на р-п- переходе внешним напряжением, направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности напряжений, действующих на р — n переходе. Вследствие разности концентраций дырок в р- и n-областях, а электронов в n- и p-областях основные носители заряда диффундируют через р — n -переход, чему способствует снижение потенциального барьера. Через р— n -переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители заряда в обеих областях движутся к р—n-переходу, обогащая его подвижными носителями и уменьшая таким образом ширину обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления р — n -перехода и возрастанию диффузионного тока. Происходит частичная компенсация заряда двойного электрического слоя и уменьшение размеров области, им занимаемой.

Пока существует потенциальный барьер, обедненный слой имеет большое сопротивление и ток ничтожно мал. При увеличении внешнего прямого напряжения потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии двойного электрического слоя р—n-перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через р — n-переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током, который будет возрастать с увеличением прямого напряжения.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называется инжекцией. В симметричном р-п-переходе инжек- ции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область по интенсивности одинаковы.

Инжектированные в n-область дырки и в p-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающуюся по мере удаления от границы в глубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заряда, которые поступают из глубины области. В результате компенсации объемных зарядов, создаваемых у р — n-перехода инжектированными неосновными носителями, полупроводник становится электрически нейтральным.

Прохождение тока через р — n -переход при его прямом включении и запирание его при обратном включении означают, что он обладает выпрямляющим действием и является твердотельным аналогом вакуумного диода. Принципиальное отличие заключается в том, что в твердотельном приборе кроме основных носителей заряда есть и неосновные. Их наличие приводит к появлению шумов при прямом включении и возможности электрического пробоя при обратном включении.

 

3.3 Биполярный транзистор

Совокупность двух встречно включенных взаимодействующих р—п-переходов обеспечивает прибор, называемый биполярным транзистором (так как в его работе участвуют основные и неосновные носители заряда). Взаимодействие обеспечивается тем, что р — n-переходы расположены на расстоянии, меньшем диффузионной длины носителей. У реальных транзисторов площади обоих р — n-переходов существенно отличаются, т.е. структура является асимметричной (рис. 3.5). Обозначение п* свидетельствует о том, что эта область легирована существенно больше, чем область, обозначенная n. Работа биполярного транзистора основана на явлениях, происходящих в объеме полупроводника, но на рис. 3.5 приведена двухмерная схема.

Два р — n-перехода разделяют три области, называемые эмиттером, базой и коллектором. В зависимости оттого, какой примесью легированы эти области, принято различать транзисторы типа

 

 

 

 

Рис. 3.5. Биполярный транзистор: К — коллектор; Б — база; Э — эмиттер

п—р — п либо р — п—р. На рис. 3.5 представлен тип п—р—п, который используются гораздо чаще, имеет лучшие эксплуатационные характеристики в области высоких частот и большее усиление при одной и той же концентрации примесей и одинаковой геометрии.

Это объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с дырками. Крайний слой с меньшей площадью, называемый эмиттером, легирован гораздо сильнее, чем второй n-слой, называемый коллектором. Средний слой транзистора называется базой. Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой шириной базы (у современных транзисторов — менее 0,1 мкм). Если база однородная, то движение носителей в ней чисто диффузионное (такие транзисторы называются бездрейфовыми). Если база не однородная, то в ней имеется внутреннее электрическое поле; движение носителей — комбинированное — диффузия сочетается с дрейфом (такие транзисторы называются дрейфовыми).

Аналогом изображенной на рис. 3.5 двухмерной схемы является изображенная на рис. 3.6 электрическая схема биполярного транзистора, работающего в активной области. Источники напряжения подключены таким образом, что транзистор работает в активном режиме при нормальном включении: источник _э смещает переход эмиттер—база в прямом направлении, а источник смещает переход коллектор—база в обратном направлении. В принципе возможны еще несколько режимов: инверсный активный режим (аналогичный нормальному активному, но с взаимной переменой мест коллектора и эмиттера); режим отсечки (оба напряжения являются обратными) и режим насыщения (оба перехода смещены в прямом направлении).

В активном нормальном режиме работы транзистора потенциал U₃ вызывает инжекцию электронов из эмиттера в область базы, которая располагается между границами и обедненных областей р—п-переходов. В активной области базы происходит диффузия электронов, причем в базе дрейфового транзистора вместе с диффузией происходит дрейф неосновных носителей заряда под действием внутреннего поля. Часть электронов рекомбинирует с дырками, но большая их часть проходит через базу и достигает того участка, где источник напряжения U_Kt включенный в обратном направлении, создает сильное электрическое поле, ускоряющее носители по направлению к коллектору.

 

Рис. 3.6. Электрическая схема биполярного транзистора, работающего в активной области

 

Для обеспечения эффективности этого процесса активная область базы должна быть существенно меньше диффузионной длины носителей, которая для электронов в базе составляет примерно 10 мкм. Процесс усиления происходит следующим образом. Вследствие малости концентрации легирующей примеси в базе инжекция дырок из базы в эмиттер приводит к возникновению лишь небольшого дырочного тока, протекающего через вывод базы. С помощью этого малого тока можно управлять гораздо большим током коллектора (работа транзистора основана на существовании носителей заряда обоих знаков).

Поскольку напряжение U_K является обратным, уровень импеданса (полного сопротивления), относящегося к этой части цепи, оказывается существенно выше того уровня, который связан с источником . По этой причине транзистор является элементом цепи, создающим усиление по напряжению. Коэффициент передачи по току от эмиттера к коллектору оказывается немного меньше единицы. В активном режиме работу транзистора можно оценивать также крутизной характеристики, которая определяется путем измерения приращения тока на выходе в зависимости от изменения напряжения на входе. Для углубленного анализа работы транзистора применяют различные физические модели: Молла — Эберса; интегральную зарядовую модель Гуммеля—Пуна; гибридную π-модель; низкочастотную и высокочастотную модели и др. Схема, приведенная на рис. 3.5, соответствует, скорее, дискретному элементу. Схема биполярного транзистора в планарном исполнении приведена на рис. 3.7 в упрощенном виде.

Когда напряжение соответствующей величины приложено к выводам коллектора, эмиттера и базы, электроны начинают перемещаться. (На рис. 3.7 представлен тип п—р — п, который используется гораздо чаще, имеет лучшие эксплуатационные характеристики в области высоких частот.) При увеличении разности потенциалов между базой и эмиттером возрастают электронный и дырочный токи. Если знак разности потенциалов поменять на обратный (подать «минус» на базу), то между слоями базы и эмиттера образуется обратносмещенный р — n-переход и ток не течет.

 

Рис. 3.7. Схема биполярного транзистора в планарном исполнении:

I — изолятор Si0₂; 2 — изолирующий охранный слой; 3 — подложка; 4 — скрытый слой

 

Изолирующий слой является аналогом охранного кольца и служит для предотвращения взаимного влияния друг на друга рядом расположенных элементов микросхемы. Современный биполярный транзистор может содержать 15 и более различных технологических слоев, соответственно для его изготовления необходимо не меньшее число технологических операций. Поэтому в технологии микросхем все большее применение находит полевой транзистор, который является более технологичным в массовом производстве.

 

3.4 Полевой транзистор

3.4.1 Принцип действия полевого транзистора с управляющим р — n-переходом

 Принцип действия приборов на основе полевого эффекта был обоснован еще в 1930-е гг. Дж.Лилиенфельдом и О. Хейлом, тем не менее первый работающий полевой транзистор был создан только в 1962 г. Д. Кантом и М.Атталой. Это говорит о том, что мало знать, что надо сделать, очень важно знать, как это сделать. Принято различать два типа полевых транзисторов: с управляющим р — n-переходом и МДП-транзисторы. Начнем их изучение с полевого транзистора с управляющим р — n-переходом, схема которого представлена на рис. 3.8. В полупроводниковой пластине р- типа сделаны выводы для трех электродов: истока, стока и затвора. Два из них — сток и исток — помещены в карман n-типа, а третий — затвор — помещен в карман р-типа (см. рис. 3.8).