Биполярные транзисторы

Размещено на http://allbest.ru

Биполярные транзисторы

Принцип действия биполярного транзистора

Комбинация двух близко расположенных друг к другу р-n-переходов представляет собой биполярный транзистор. Два р-n-перехода разделяют такую структуру на три области, которые называются: эмиттер, база, коллектор (рис.1). Соответственно р-n-переходы получили название: база-коллекторный р-n-переход и база-эмиттерный р-n-переход.

В зависимости от примесей в этих областях различают транзисторы nрn-типа и рnр-типа. Транзисторы nрn-типа получили наибольшее распространение в силу лучших частотных характеристик. Это объясняется большей подвижностью электронов. Термин биполярный транзистор указывает на то, что работа данного прибора связана с движением как электронов так и дырок.

Будем рассматривать транзистор nрn-типа. При работе с транзистором ко всем трем областям подводится напряжение. На база-эмиттерный (БЭ) переход подается небольшое напряжение в прямом направлении (рис.1).

Рис.1 Структура биполярного транзистора и его условные обозначения



Величина напряжения десятые доли вольта и определяется падением напряжения на прямо смещенном переходе (для Si транзистора 0,7 В). На переход база-коллектор (БК) подают постоянное напряжение в обратном направлении.

Величина напряжения от единиц вольт до десятков и даже сотен вольт. Подобная схема включения называется схемой с общей базой (ОБ), так как питающие напряжения подаются относительно базы.

Итак, переход БЭ смещен в прямом направлении, переход БК в обратном.

В эмиттере концентрация донорной примеси Nэ значительно больше, чем концентрация акцепторной примеси N_Б в базе, то есть Nэ >> N_Б и база-эмиттерный переход является односторонним р-n⁺-переходом. При прямом смещении эмиттерный ток Jэ через переход определяется в основном электронной компонентой.

Происходит преимущественное движение электронов из эмиттера в базу. Поток дырок из базы в эмиттер много меньше. Поэтому говорят, что происходит впрыскивание - инжекция электронов из эмиттера в базу. Попав в базу, электроны становятся в ней неосновными носителями заряда, происходит инжекция неосновных носителей заряда в базу.

Попав в базу, электроны движутся через нее к БК переходу. Характер движения электронов в базе зависит от распределения в ней акцепторной примеси. Пусть база легирована акцепторной примесью однородно. Тогда электроны в базе будут двигаться к БК переходу за счет диффузии - диффундируют в базе.

Толщину базы w (рис.1) делают значительно меньше диффузионной длины электронов в базе:

w < L_nБ .



Обычно w 0,5 - 5 мкм; L_nБ 10 - 20 мкм. Поэтому большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, достигает БК перехода и перебрасывается в коллектор. Возникает ток коллектора Jк. Отсюда и название областей транзистора: эмиттер - от латинского emitto - выпускаю, испускаю; коллектор - от латинского kollector - сборщик.

Ток базы J_Б обусловлен двумя компонентами:

1. Током основных носителей базы - дырок через прямо смещенный эмиттерный переход. Так как концентрация доноров в эмиттере Nэ >> N_Б - концентрации акцепторов в базе, то ток дырок из базы в эмиттер очень маленький.

2. Ток за счет рекомбинации дырок и электронов в базе. Поскольку w < L_nБ, то подавляющая часть электронов за время своей жизни успевает достигнуть коллекторного перехода и перейти в коллектор. Лишь очень небольшая часть электронов успеет прорекомбинировать с дырками базы. Потеря этих дырок и приводит к возникновению этой компоненты J_Б, компенсирующей их убыль.

Обе компоненты базового тока очень малы, поэтому мал и сам ток J_Б. Согласно закона Кирхгофа

Jэ = J_Б + Jк

и в силу малости J_Б можно записать, что

Jэ Jк.

Электроны в базе неосновные носители заряда и обратно смещенный БК переход не препятствует их движению через него. Поэтому коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, так как все электроны достигающие перехода переносятся в коллектор.

Следовательно, дифференциальное сопротивление r_к обратно смещенного БК перехода очень велико ( 1 МОм)

r_К = dV_БК dJ_К V_БКJ_К

Следовательно, в цепи коллектора можно включить достаточно большое сопротивление Rн 10 кОм без существенного уменьшения коллекторного тока Jк (рис.2).

Рис.2 Условная схема коллекторной цепи транзистора

Поскольку r_К >> Rн, то ток коллектора определяется соотношением:

J_К = V_БК r_К.

В тоже время дифференциальное сопротивление прямо смещенного база-эмиттерного перехода очень мало.

r_Э = dV_БЭdJ_Э V_БЭJ_Э



При J_Э 1 мА r_Э 25 Ом.

При увеличении эмиттерного - входного тока на J_Э коллекторный ток возрастает приблизительно на то же значение:

J_К J_Э

так как

J_К J_Э.

Изменение входной мощности в цепи эмиттера:

Р_ВХ = J_ЭV_БЭ = J_Э²r_Э.

Изменение выходной мощности на сопротивлении нагрузки Rн в цепи коллектора:

Р_ВЫХ = J_ЭV_Rн = J_К²R_Н J_Э²R_Н.

Тогда коэффициент усиления по мощности при R_Н=10кОм и r_Э=25 Ом :

к_Р = = 400.

То есть схема включения транзистора с общей базой обеспечивает большой коэффициент усиления электрических сигналов по мощности или напряжению.

Усиления по току не происходит, поскольку входной ток J_Э примерно равен выходному току J_К.



Токи в биполярном транзисторе

Можно вывести соотношение для коллекторного тока биполярного транзистора, обусловленного движением электронов

J_Кn=J_Эn=J_Бn = .

Это соотношение получено в предположении, что дырочный ток базы транзистора равен нулю.

Пренебрежение рекомбинацией при рассмотрении процессов в базе и инжекцией дырок из базы в эмиттер позволило принять, что дырочный ток базы J_Б равен нулю, а это привело к тому, что токи эмиттера и коллектора оказались равными. В действительности, как рассматривалось ранее, ток коллектора должен быть меньше тока эмиттера и одна из причин этого - рекомбинация электронов и дырок в базе.

Ток рекомбинации J_РБ, компенсирующий убыль дырок в базе, можно записать в виде:

J_РБ = . (1.1)

Электронный ток в базе J_Эn уменьшается в базе на величину J_РБ. Поэтому вводят коэффициент передачи тока от эмиттера к коллектору, который определяется соотношением:

. (1.2)



Другое название этого коэффициента - коэффициент переноса. Он имеет вид.

=, (1.3)

где: L_n =- диффузионная длина электронов в базе. Как видно, зависит от толщины нейтральной области базы. Поэтому в современных транзисторах величину Х_Б стремятся сделать как можно меньше. Для таких транзисторов Х_Б 0,2 мкм, L_n 30 мкм и коэффициент переноса 0,99986, то есть, близок к единице.

Теперь рассмотрим дырочную компоненту базового тока J_Б, обусловленную инжекцией дырок из базы в эмиттер, при прямом смещении БЭ перехода. Эту компоненту, обозначим как J_ЭР,

Можно для нее получить выражение:

J_ЭР = .

Полный ток эмиттера можно представить в виде:

J_Э = J_Эn + J_ЭР .

Коэффициент эмиттерной инжекции г определяет, какова часть электронной компоненты в полном токе эмиттера:

= =. (1.4)



Поскольку обычно в транзисторах интегральных микросхем Х_Б 0,5 мкм, Х_Э 1,5 мкм, N_Б 2*10¹⁶см^-3, N_Э 5*10¹⁷см^-3, то 0,9973.

Чем ближе значение к единице, тем лучше характеристики транзистора. С этой целью необходимо увеличивать концентрацию примеси в эмиттере N_Э по сравнению с концентрацией примеси в базе N_Б.

Параметром, определяющим функциональные возможности транзистора со стороны его электродов, служит коэффициент _о - коэффициент усиления по току в схеме с общей базой:

_о = . (1.5)

Коэффициент _о определяет связь между токами на выводах транзистора в активном режиме:

J_К = _оJ_Э и J_Б = (1- _о)J_Э . (1.6)

Модель транзистора Эберса - Молла

Задача моделирования заключается в установлении связи между физическими параметрами и электрическими характеристиками транзистора.

Основной моделью биполярного транзистора считается модель Эберса-Молла. В самом простом варианте эта модель характеризует только активную область транзистора. Эквивалентная схема транзистора в модели Эбера-Молла имеет вид, представленный на рис. Модель должна отображать процессы в транзисторе при любых полярностях и значениях напряжений на БЭ и БК переходах.



Поэтому для активного режима работы транзистора, то есть при V_БЭ>0 и V_БК<0, через J₁ обозначен ток инжектируемый БЭ переходом.

Ток, возникающий в цепи коллектора, задается генератором тока _NJ₁ (1.6), поскольку этот ток практически не зависит от величины V_БК.

Здесь _N - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общей базой при нормальном включении, ранее он был обозначен как ₀.

В случае инверсного режима, то есть при V_БЭ<0 и V_БК>0, в базу инжектируется ток со стороны БК перехода и он обозначен через J₂.

В этом случае в обратно смещенном БЭ переходе возникает ток, задаваемый генератором тока _IJ₂. Здесь _I - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общей базой при инверсном включении.

Эта модель хорошо отображает обратимость транзистора - принципиальную равноправность его переходов. Эта равноправность особенно ярко проявляется в режиме двойной инжекции, когда на обоих переходах действуют прямые напряжения.

В таком режиме каждый из переходов одновременно инжектирует электроны в базу и собирает носители дошедшие от другого перехода.

Для коэффициентов усиления по току справедливы соотношения полученные ранее:

_N = _о = = .

По аналогии можно записать:

_I = ,

здесь: Х_Э, Х_Б, Х_К - соответственно: ширины нейтральных областей эмиттера, базы, коллектора; D_Р - коэффициент диффузии дырок в эмиттере и коллекторе; D_n - коэффициент диффузии электронов в базе; N_Э, N_Б, N_К - концентрации примеси в эмиттере, базе, коллекторе; L_n - диффузионная длина электронов в базе.

Запишем соотношения для токов согласно модели:

J_э = J₁ - _IJ₂

J_к = _NJ₁ - J₂

Вольт-амперные характеристики каждого из р-n-переходов описываются выражениями:

J₁ = ,

J₂ = .



Здесь J'_эо и J'_ко - токи насыщения или обратные токи БЭ и БК переходов, определяемые соотношениями:

=,

=.

Подставляя токи, найдем аналитические выражения для статических вольт-амперных характеристик транзистора:

J_Э = - _I, а)

J_К = _N- . б)

Ток базы легко записать как разность токов J_Э-J_Б:

Jб = (1-_N)+ (1-_I). в)

Эти формулы получили название формул Эберса-Молла. Они являются математической моделью транзистора и составляют основу для анализа его работы в различных режимах. В этих формулах положительными считаются прямые напряжения на переходах.

Помимо этих формул можно получить соотношения

J_ЭО = (1- _NI)J'_ЭО и J_КО = (1 - _NI)J'_КОи и

_NJ_ЭО = _IJ_КО.



Эти выражения позволяют проанализировать вольт-амперные характеристики транзистора в различных режимах включения.

Статические характеристики транзистора в схеме с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) приведена на рис.

Для схемы с ОБ входным воздействием является заданное значение тока эмиттера, определяемое напряжением V_БЭ, при определенных напряжениях на БК переходе V_БК. Поэтому входными или эмиттерными характеристиками является семейство зависимостей:

J_Э = f (V_БЭ) с параметром V_БК.

Выходными или коллекторными характеристиками является семейство зависимостей:

J_К = f (V_БК) с параметром J_Э.

В зависимости от соотношения полярности напряжений на р-n-переходах различают следующие режимы работы транзистора, отражаемые на семействе выходных вольт-амперных характеристиках (ВАХ) соответствующими областями.

1. Активный режим: V_БЭ >0 или J_Э > 0, V_БК <0. В этом режиме транзистор способен усиливать сигналы, подаваемые в эмиттер, по напряжению и по мощности. Используется в усилительных схемах.

2. Режим насыщения: V_БЭ >0 или J_Э > 0, V_БК >0. Коллекторный переход смещен в прямом направлении и инжектирует электроны в базу транзистора. Иногда говорят о этом режиме как о режиме с двойной инжекцией. Режим насыщения используется в импульсных схемах.

3. Режим отсечки тока коллектора: V_БЭ <0 или J_Э < 0, V_БК <0. Ток через транзистор определяется обратным тепловым током и чрезвычайно мал. В этом случае говорят о запертом транзисторе.

Анализ ВАХ будем вести на основе модели транзистора Эберса-Молла.

Сначала рассмотрим зависимость J_Э = f (V_БЭ) - входную зависимость. Анализировать ее будем на основе уравнения а:

J_Э = - _I.

Пусть V_БК = 0, тогда второй член в уравнении (а) равен нулю. Входная характеристика представляет собой ВАХ БЭ диода рис.



При V_БК 0 входная характеристика смещается по оси напряжений, поскольку надо учитывать второй член в (а).

Если V_БК < 0 (активный режим), то

и второй член (а) стремится к +_IJ'_КО, то есть входная характеристика сдвигается влево.

Если V_БК >0 (режим насыщения) входная характеристика сдвигается вправо, так как второй член отрицателен. Сдвиг связан с дополнительной инжекцией электронов в базу из коллектора.

Если же V_БК <0 и V_БЭ <0 (режим отсечки), оба перехода смещены в обратном направлении. Ток J_Э становится очень маленьким и стремится к

J_Э = - J'_ЭО + _I J'_КО

и перестает зависеть от приложенных к переходам напряжений.

Теперь выходные характеристики: то есть зависимость J_К = f (V_БК) с параметром J_Э.

Выполнив преоразования, можно получить:

J_К = _NJ_Э - J_КО.

Семейство выходных характеристик при разных значениях J_Э представлено на рис.



Из рисунка видно два резко различных режима работы транзистора: активный режим - 1-й квадрант; режим насыщения или двойной инжекции - 2-й квадрант.

Пусть V_БК <0 Тогда вторым слагаемым можно пренебречь и семейство выходных характеристик представляет собой ряд горизонтальных прямых, отвечающих различным значениям тока эмиттера J_Э. Причем ток J_К не зависит от V_БК. Это вполне объяснимо.

Все электроны, инжектированные из эмиттера в базу и достигшие БК перехода, перебрасываются полем обратно смещенного перехода в коллектор независимо от величины V_БК<0, так как обратно смещенный переход не влияет на движение через него неосновных носителей заряда, в данном случае электронов. J_К определяется коэффициентом усиления по току _N в схеме с ОБ.

Величина _N тем выше, чем больше - коэффициент эмиттерной инжекции и - коэффициент переноса. А их значения повышаются при увеличении степени легирования эмиттера по сравнению с базой и уменьшении толщины базы.

При прямых смещениях БК перехода, то есть в режиме насыщения, вторым членом в уравнении пренебрегать уже нельзя. Поэтому происходит спад J_К при неизменном токе J_Э.

Это результат встречной инжекции электронов в базу со стороны коллектора. При напряжении

ток коллектора J_К становится равен нулю.

В режиме отсечки при V_БЭ <0 и V_БК <0 ток коллектора J_К = J_КО очень мал и транзистор заперт.

Кроме этих трех перечисленных режимов, транзисторы изредка включают в инверсном режиме, когда V_БЭ<0 и V_БК>0. Для этого режима характерно низкое значение инверсного коэффициента усиления по току _I.

В области больших обратных напряжений на коллекторе ток J_К резко увеличивается за счет лавинного пробоя БК перехода, что приводит к выходу транзистора из строя (на рис. это показано пунктиром).

Дифференциальное сопротивление эмиттера и коллектора. Эффект Эрли

Для активной области транзистора, когда V_БК<0, можно пренебречь вторыми составляющими токов J_Э и J_К. Тогда:

,

J_К = _NJ_Э



Отсюда дифференциальное сопротивление БЭ перехода

r_Э = =

в силу J_Э >> J'_ЭО.

При J_Э = 1 мА r_Э = 25,8 Ом.

Дифференциальное сопротивление БК перехода

r_к =

поскольку ток коллектора не зависит от V_БК. В реальных же транзисторах r_К хотя и большая величина, но конечная. Дело в том, что в рассматриваемой модели не учтена зависимость ширины нейтральной области базы от величины V_БК. В действительности толщина БК перехода d_БК зависит от V_БК :

При изменении V_БК будет меняться и толщина БК перехода и следовательно Х_Б, При увеличении V_БК ширина нейтральной области базы уменьшается. При этом одновременно увеличивается коэффициент эмиттерной инжекции и коэффициент переноса . Следовательно, возрастает величина _N. Ток J_К начинает зависеть от V_БК. Поэтому выходная характеристика J_К = f(V_БК) в активной области оказывается уже не параллельна оси абсцисс, а располагается наклонно (рис.).

Это явление было названо эффектом Эрли или эффектом модуляции ширины базы. Если ввести в модель Эберса-Молла зависимость Х_Б = f(V_БК), то дифференциальное сопротивление коллектора получит конечное значение: r_К 1 МОм при J_Э 1 мА.

Статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером (ОЭ) напряжения прикладываются к транзистору относительно эмиттера.

В соответствии с соглашением о полярности действующих напряжений: БЭ переход смещен в прямом направлении и V_БЭ> 0; БК переход смещен в обратном направлении и V_БК < 0. Поэтому можно записать:



V_БЭ - V_БК = V_КЭ

или

V_БК = V_БЭ - V_КЭ, где V_КЭ > 0.

В данной схеме входным воздействием является заданное значение тока базы J_Б.

Поэтому входными или базовыми характеристиками является семейство зависимостей

J_Б =f(V_БЭ) с параметром V_КЭ.

С учетом этого , уравнение для тока базы примет следующий вид:

J_Б = (1-_N)+(1-_I).

То есть входная характеристика проходит через начало координат. Если V_КЭ > V_БЭ, то второе слагаемое J_Б стремится к -(1-_I)J'_КО и входная характеристика сдвигается вправо.



Выходными или коллекторными характеристиками является семейство зависимостей

J_К = f(V_КЭ) с параметром J_Б.

Для тока коллектора из уравнений Эберса-Молла можно получить соотношение

J_К = _NJ_Б - , . (23)

Величина _N получила название - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером при нормальном включении, в литературе она обозначается просто .

Выходные характеристики имеют вид, показанный на рис. Они существенно отличаются от выходных характеристик транзистора в схеме с ОБ.



Выходные зависимости в схеме с ОЭ располагаются в первом квадранте. Прямая АВ отделяет два режима: активный режим 2 и режим насыщения или двойной инжекции 1.

Для активного режима БЭ переход смещен в прямом направлении, БК переход в обратном и V_КЭ > V_БЭ и отсюда следует

J_К = _NJ_Б + .

Видно, что эти зависимости при разных токах базы J_Б должны располагаться параллельно оси абсцисс. Однако, здесь не учитывается эффект Эрли. Кроме того, в схеме с ОЭ существует положительная обратная связь в транзисторе. Напряжение V_КЭ распределяется между БК и БЭ переходами.На рис это показано стрелками.

Дополнительное падение напряжения от V_КЭ на БЭ переходе в прямом направлении приводит к увеличению J_Э и дополнительному приращению тока коллектора J_К.

Поэтому наклон ВАХ в схеме с ОЭ при изменении V_КЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ. Соответственно дифференциальное сопротивление коллектора r*_К в схеме с ОЭ примерно в _N раз меньше по сравнению с ОБ:



r*_К = r_К (_N + 1).

Если для ОБ r_К 1 МОм, то для ОЭ с _N 100 r*_К 10 кОм.

Обратный ток коллектора транзистора при разомкнутой базе J_Б = 0 определяется выражением:

J*_КО = J_КО(_N + 1).

Он намного больше обратного тока коллектора транзистора в схеме с ОБ при разомкнутой цепи эмиттера. Это опять таки объясняется влиянием положительной обратной связи в транзисторе. При разомкнутой цепи в базе J_Б=0 БЭ переход за счет V_КЭ смещается в прямом направлении. В результате происходит инжекция электронов из эмиттера в базу, которые и создают обратный ток коллектора J*_КО.

Из уравнения следует, что в схеме с ОЭ управление током J_К осуществляется маленьким током базы J_Б:

J_{К N}J_Б.

Это очень большое достоинство схемы с общим ОЭ по сравнению с ОБ, где имели входной ток Jэ Jк:

J_{К N} J_Э .

В схеме с общим эмиттером при

_N=0,99, _N = _N(1-_N) = 99



и управление током коллектора J_К осуществляется примерно в 100 раз меньшим током базы J_Б. Поэтому транзистор в схеме с ОЭ имеет входное сопротивление:

r_Б . (26)

При J_Э =1 мА _N = 100 r_Б = 2,5 кОм.

Режим насыщения характеризуется наличием прямого смещения на БЭ и БК переходах. Для этого должно выполняться условие V_КЭ<V_БЭ. Поэтому граница, разделяющая активный режим и режим насыщения, соответствует условию V_БЭ-V_КЭ=0 и эта граница определяется линией АВ на выходных ВАХ транзистора (рис.). При этом второй член в уравнении быстро возрастает с уменьшением V_КЭ, что приводит к уменьшению тока коллектора J_К в силу встречной инжекции электронов из коллектора в базу.

Структура дискретного и интегрального транзисторов

Биполярный транзистор, помещенный в корпус, и являющийся конструктивно обособленной единицей представляет собой дискретный транзистор.

Биполярный транзистор, входящий в состав интегральной схемы, и который не может быть выделен из нее в качестве самостоятельного компонента, представляет собой интегральный транзистор.

Разное назначение этих транзисторов приводит к отличиям в их структуре.

Структура дискретного биполярного транзистора приведена на рис. Для изготовления n-р-n-транзистора может быть взята монокристаллическая подложка из сильно легированного Si n⁺-типа. Подложка представляет собой круглую пластину, диаметр которой может достигать 200 - 300 мм при толщине до 0,5 мм. На такой подложке одновременно могут изготавливаться сотни и тысячи транзисторов (рис.).

Процесс изготовления транзистора содержит много технологических операций, которые можно разбить на следующие этапы.

- На поверхность подложки наносят эпитаксиальный слой кремния n-типа. Особенность эпитаксиального слоя в том, что его кристаллическая структура полностью совпадает со структурой подложки. Поэтому подложка с эпитаксиальным слоем представляет собой единый кристалл. Концентрация донорной примеси в слое соответствует ее концентрации в коллекторе будующего транзистора.

- В требуемых местах проводят легирование подложки акцепторной примесью для формирования базовой области с проводимостью р-типа.

- Проводят легирование в р-областях подложки донорной примесью для формирования области эмиттера. Концентрация донорной примеси выбирается достаточно большой, чтобы обеспечить высокий коэффициент эмиттерной инжекции и хороший омический контакт к алюминиевому выводу эмиттера.

- Проводят защиту сформированной структуры от воздействия внешней среды тонким слоем SiО₂.

- В местах расположения электрических выводов базы и эмиттера в слое SiО₂ вскрывают окна для нанесения пленки алюминия, к которой приваривают сравнительно тонкие проволочные выводы. С тыльной стороны подложки на ее поверхности наносят алюминиевую пленку, которая является электрическим выводом коллектора.

- Подложку делят на отдельные кристаллы, каждый из которых представляет собой дискретный биполярный транзистор.

-

Кристалл транзистора коллекторным выводом припаивают к основанию металлического корпуса, на которое затем устанавливают крышку. Провода эмиттера и базы приваривают к толстым проволочным выводам, электрически изолированным от корпуса. Вывод коллектора приваривают к основанию корпуса транзистора. Такой монтаж обеспечивает хороший отвод тепла от электрической мощности, рассеиваемой на коллекторе, а также сводит к минимуму величину пассивного сопротивления подложки при протекании коллекторного тока (рис.). В силу этих причин для изготовления транзистора и используется сильно легированная примесью подложка.

Интегральный транзистор входит в состав полупроводниковой микросхемы, выполняемой в тонком поверхностном слое кремниевой подложки, и должен быть электрически изолирован от других элементов микросхемы. Во многом именно электрическая изоляция транзистора и расположение всех его элементов на одной стороне подложки обуславливают особенности его структуры. Один из возможных вариантов структуры интегрального транзистора показан на рис.

Процесс изготовления интегрального транзистора состоит из нескольких этапов.

- На поверхности кремниевой подложки с проводимостью р-типа в местах расположения транзисторов проводят диффузию донорной примеси для формирования скрытого n⁺-слоя.

- На поверхность подложки наносят эпитаксиальный слой кремния n-типа. Концентрация донорной примеси в слое соответствует ее концентрации в коллекторе. Поскольку эпитаксия высокотемпературный процесс, то происходит диффузия донорной примеси в эпитаксиальную пленку из будующего скрытого n⁺-слоя.

- В требуемых местах подложки по периметру будущего транзистора проводят глубокую диффузию акцепторной примеси для формирования р⁺-области. Глубина диффузии превышает толщину эпитаксиального слоя. На поверхности подложки в эпитаксиальном слое образуется так называемый «карман» с проводимостью n-типа. В этом «кармане» и формируют интегральный транзистор.

- В требуемых местах проводят легирование подложки акцепторной примесью для формирования базовой области с проводимостью р-типа.

- Проводят легирование в р-областях подложки донорной примесью для формирования области эмиттера. Концентрация донорной примеси выбирается достаточно большой, чтобы обеспечить высокий коэффициент эмиттерной инжекции и хороший омический контакт к алюминиевому выводу эмиттера. Одновременно формируют n+-область для обеспечения омического контакта для будущего вывода коллектора.

- Проводят защиту сформированной структуры от воздействия внешней среды тонким слоем SiО₂.

- В местах расположения электрических выводов базы, эмиттера и коллектора в слое SiО₂ вскрывают окна для обеспечения электрического контакта.

- На поверхность подложки наносят алюминиевую пленку и проводят ее травление для выполнения электрических проводников, соединяющих все элементы микросхемы в единое целое.

- Наносят защитное покрытие на поверхность подложки.

- Производят разделение подложки на отдельные кристаллы - «чипы» - и производят их корпусирование.

Скрытый n⁺-слой обеспечивает низкое сопротивление пассивного сопротивления цепи коллектора, поскольку Jк большую часть пути протекает по сильно легированному полупроводнику, имеющему низкое омическое сопротивление.

На рис.18 видно, что транзистор расположен в «кармане» с проводимостью n-типа, который со всех сторон окружен полупроводником р-типа. Следовательно, вокруг транзистора сформирован р-n переход. К полупроводнику р-типа, то есть к подложке сделан электрический вывод «подложка». Он присоединяется к точке микросхемы имеющий самый низкий потенциал. Поэтому р-n переход при любых напряжениях на коллекторе оказывается обратно смещенным. А обратно смещенный переход имеет очень высокое сопротивление (100 МОм) и через него протекает очень маленький обратный тепловой ток 10^-9А. При такой структуре изоляция интегрального транзистора от других компонентов микросхемы осуществляется обратно смещенным р-n переходом.

Рассмотренные транзисторы выполнены по так называемой эпитаксиально-планарной технологии.

Полевые транзисторы

Работа полевых транзисторов основана на изменении проводящих свойств поверхностного слоя кристалла полупроводника под действием электрического поля. Рассмотрим полупроводник n-типа.

Полупроводник электронейтрален, то есть в каждой точке объема сумма всех зарядов равна нулю.

Если заряд на поверхности полупроводника равен нулю Q_пов=0, то проводимость полупроводника на поверхности равна его проводимости в объеме:

у = q*( n₀*м_n + p₀* м_p ) и n₀>>p₀

Пусть теперь на поверхности полупроводника имеется положительный заряд. Этот заряд вызовет притяжение к поверхности кристалла полупроводника электронов для компенсации поверхностного заряда.



Следовательно, у поверхности полупроводника образуется слой с повышенным, по сравнению с объемом, содержанием электронов - основных носителей заряда в глубине объема полупроводника.

Возникает явление обогащения поверхностного слоя основными носителями заряда. Проводимость поверхностного слоя возрастает.

Если на поверхности полупроводника отрицательный заряд, то он вызовет притяжение носителей заряда противоположного знака - дырок и отталкивание носителей отрицательного заряда - электронов. Таким образом, в поверхностном слое полупроводника формируется слой обедненный основными носителями заряда.

Возникает явление обеднения основными носителями заряда. Проводимость поверхностного слоя полупроводника уменьшается.

При некоторой величине отрицательного поверхностного заряда концентрация электронов в поверхностном слое уменьшится настолько, что станет равна концентрации дырок n₀=р₀. То есть свойства поверхностного слоя такие же как и у собственного полупроводника и проводимость этого слоя будет минимальна.

Пусть теперь на поверхности полупроводника существует достаточно большой отрицательный заряд. Для компенсации этого заряда из объема полупроводника будет притянуто большое число дырок и оттолкнуто большое число электронов. Поэтому в поверхностном слое р₀ > n₀.

Если в объеме кристалла полупроводника проводимость n-типа, то в поверхностном слое проводимость р-типа, то есть в поверхностном слое полупроводника происходит смена типа проводимости - возникает явление инверсии проводимости.

Толщина приповерхностного слоя полупроводника, в котором происходит изменение проводимости составляет несколько микрон.

Таким образом, изменяя величину и знак заряда на поверхности полупроводника, можно изменять в широких пределах проводимость поверхностного слоя полупроводника. Подобные же явления возникают и на поверхности кристалла полупроводника р-типа. Из изложенного следует, что можно изготовить полупроводниковый прибор, в котором возможно управление поверхностным током посредством изменения величины заряда на поверхности кристалла.Идея такого прибора - полевого транзистора - была предложена примерно 100 лет тому назад, задолго до разработки биполярного транзистора. Но она не была реализована. Причина в том, что в те годы ученые не могли контролировать состояние поверхности полупроводника, заряд на его поверхности, величина которого могла быть весьма большой и переменной, т.е. + или -.

Осознание роли процессов на поверхности полупроводника привело к созданию полевых транзисторов.



Полевой транзистор с управляющим р-n переходом

Если мешает неконтролируемый поверхностный заряд, то можно электрод, модулирующий проводимость полупроводника, разместить под поверхностью кристалла. Структура такого транзистора приведена на рисунке.

На Si подложку р-типа наносят слой кремния n-типа толщиной ?10 мкм. В требуемых местах в пленке n-типа формируют область р+-типа глубиной ?3 мкм. Следовательно, на определенной глубине в пластине возникает р-n переход. Причем концентрация акцепторной примеси N_A в этой области много больше концентрации донорной примеси N_Д в пленке.

Поэтому обедненная область р-n перехода расположена, прежде всего, в n-слое. Между Si подложкой р-типа и обедненной областью р-n перехода образуется проводящий канал.

Если к р-n переходу приложить от источника V_З обратное напряжение, то обедненный носителями слой, имеющий очень большое сопротивление, будет с ростом напряжения распространяться в глубину n-области. Толщина канала d_к, по которому может протекать ток от источника V_С, становится уже. Проводимость его уменьшается. При постоянном напряжении V_С ток будет тем меньше, чем больше значение обратного смещения V_З.

Итак, ток текущий по полупроводниковой пластине управляется приложенным напряжением V_С.

Электроды, служащие для пропускания тока через транзистор, называются истоком и стоком. Электрод, к которому прикладывается напряжение, модулирующее сопротивление канала - затвором.

Истоком всегда называется электрод, через который носители заряда вводятся в канал. В данном случае электрод, к которому приложен - V_С. Другой электрод - сток.

Напряжение, модулирующее сопротивление канала, прикладывается между истоком и затвором и обозначается V_З.

Полевой транзистор с р-n переходом относится к типу транзисторов с нормально открытым каналом. То есть, когда напряжение на затвор не подано Vз = 0, ширина канала dк имеет максимальную величину, а проводимость канала - max. С увеличением отрицательного напряжения Vз ширина канала уменьшается и проводимость падает. При напряжении на затворе Vз = Vо - напряжении отсечки, dк = 0 и ток Jс = 0. Транзистор ток не проводит.

Достоинство полевого транзистора с управляющим р-n переходом в очень маленьком управляющем токе затвора - токе Js обратно смещенного р-n перехода. Напомню, что ток насыщения Js ? 10^-7 А. Входное сопротивление транзистора превышает 100 Мом.

Транзистор с р-n переходом не используется при Vз ? 0. В этом случае р-n переход смещается в прямом направлении и через затвор начинает протекать большой прямой ток. Достоинство полевого транзистора с большим входным сопротивлением теряется.

Изготовление МДП транзисторов стало возможно благодаря достижениям технологии.

Аббревиатура МДП образована из начальных букв слов Металл - Диэлектрик - Полупроводник. Ученые научились контролировать поверхностный заряд на полупроводнике в результате чего были разработаны две разновидности полевых транзисторов.

МДП транзистор со встроенным каналом. Структура транзистора представлена на рисунке. На Si подложке р-типа диффузией в требуемых местах формируется проводящий канал n-типа. По концам n-канала диффузией выполняются глубокие области n-типа. Они образуют качественные и надежные контакты к каналу и электродам истока и стока. Над каналом на поверхность полупроводника наносят тонкий слой диэлектрика толщиной менее 0,5 мкм.

На слое диэлектрика и на концах n-канала формируют металлические электроды истока, затвора и стока. При подаче напряжения на электроды истока и стока по проводящему каналу протекает ток стока Js. Величина тока определяется проводимостью канала. Проводимость канала зависит от напряжения, и естественно, заряда на затворе транзистора.

Изменение заряда на затворе приводит к возникновению в проводящем канале явлений обогащения, обеднения или инверсии. То есть в зависимости от заряда на затворе концентрация носителей заряда - электронов - в канале изменяется, изменяется проводимость канала и ток стока Js. Таким образом, ток стока модулируется электрическим полем, приложенным к электроду затвора.

В качестве диэлектрика могут использоваться нитрид кремния Si₃N₄, оксид кремния SiO₂ и т.д. Поэтому по структуре затвора такие транзисторы и получили название МДП транзисторов. Структура затвора: металл - диэлектрик - полупроводник. Если же в качестве диэлектрика используется SiO₂, применяемый пчаще всего, то транзисторы получили обозначение: МОП транзистор - металл, оксид, полупроводник.

В МОП транзисторе ток между стоком и истоком может протекать только через проводящий канал, поскольку в цепи сток - подложка - исток имеются два встречно включенных диода. И какова бы ни была полярность напряжения, приложенного между истоком и стоком, один из диодов всегда окажется включенным в обратном направлении. Поэтому ток в цепи сток - подложка - исток будет ничтожным.

МОП транзистор со встроенным каналом является прибором с нормально открытым каналом. Когда напряжение на затворе Vз = 0, канал открыт. Его сопротивление R_канал определяется собственными параметрами канала: длиной, толщиной, степенью легирования примесью и подвижностью носителей заряда.

Если на затвор подать плюс Vз в канале возникает обогащение основными носителями заряда - электронами. Проводимость канала возрастает, а его сопротивление падает. При отрицательном напряжении Vз на затворе в канале возникает обеднение, концентрация электронов в канале падает и его сопротивление растет.

При сравнительно больших отрицательных напряжениях на затворе Vо - напряжении отсечки, в канале возникает инверсионный слой. Проводимость слоя под затвором становится р-типа, канал n-типа исчезает. Следовательно, возникают два р-n перехода: истоковый и стоковый и один из р-n переходов обязательно будет заперт. Поэтому сопротивление сток исток достигает очень большой величины. Происходит отсечка тока.

Поэтому МОП транзистор со встроенным каналом работает как при отрицательных, так и положительных напряжениях на затворе.

МДП транзистор с индуцированным каналом. Структура транзистора представлена на рисунке. Отличие от предыдущего транзистора - отсутствие проводящего канала между стоком и истоком. Причина этому два диода, стоковый и истоковый. Они возникают между n-областями стока, истока и подложкой р-типа. Поэтому при любой полярности напряжения Vс один из этих переходов будет заперт. В цепи сток-исток будет протекать ток обратносмещенного р-n перехода. Ясно, что такой транзистор является полевым транзистором с нормально закрытым каналом. При небольшой величине положительного напряжения на затворе, под ним возникает обедненный дырками приповерхностный слой. Это обеднение дырками никакого влияния на ток стока не окажет.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе под ним возникает инверсионный слой с проводимостью n-типа, т.е. возникает проводящий канал между стоком и истоком. Через транзистор потечет ток Jс. Поэтому такие приборы и называются транзисторами с индуцированным каналом.

Напряжение на затворе, при котором происходит инверсия в поверхностном слое полупроводника под затвором и образуется проводящий канал, называется пороговым напряжением и обозначается Vп. При Vз > Vп проводимость канала увеличивается в силу повышения концентрации электронов в индуцированном канале. Переходная характеристика имеет вид, представленный на рисунке.

Достоинство МОП транзисторов - очень высокое входное сопротивление, поскольку проводящий канал отделен от металлического электрода затвора слоем диэлектрика. Но это же требует аккуратного обращения с транзисторами, поскольку при разности потенциалов между затвором и каналом более 30 В происходит пробой подзатворного диэлектрика.



Оптические свойства полупроводников

Собственное поглощение света

Генерация носителей заряда в полупроводнике возможна в результате какого-либо внешнего воздействия, например при поглощении оптического излучения.

Квант или фотон оптического излучения обладает энергией Е_фот и импульсом р_фот:

Ефот = hн_фот p = h/л_фот

где _фот и _фот - частота и длина волны света соответственно.

Если энергия фотона, падающего на полупроводник

Ефот >Еg,

то электрон валентной зоны может поглотить его. При этом он получает энергию достаточную для перехода в зону проводимости. Такое поглощение света является собственным и n₀ = p_0. Появляющиеся при этом дополнительные носители заряда получили название неравновесных.

Интенсивность света, распространяющегося в полупроводнике уменьшается согласно закона Бугера:

где I₀ - интенсивность света на поверхности полупроводника, I - интенсивность света в полупроводнике после прохождения расстояния х, - коэффициент поглощения. Эта величина обратная длине пути, при котором интенсивность света I уменьшается в е раз, т.е. в 2.73 раза. Коэффициент поглощения является характеристикой среды, в данном случае полупроводника. Он зависит от длины волны света. Его зависимость от энергии падающего кванта света (h_фот) или длины волны света (_фот) называется спектром поглощения.

Так при

h_фот - E_g 0,01 эВ

_с 10³ см^-1 и свет практически полностью поглощается на глубине 2 мкм от поверхности полупроводника.

Примесное поглощение света

В примесных полупроводниках под действием света может происходить переброс электронов с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на уровни акцептора. Для этого квант света должен иметь энергию h_фот Е_Д, Е_А (рис….).



Такое поглощение света называется примесным. Граница этого поглощения сдвинута в область длинных волн света тем сильнее, чем меньше энергия ионизации соответствующей примеси.

Следует иметь в виду, что если примесные атомы уже ионизированы, то примесное поглощение наблюдаться не будет.

Так как температура полной ионизации примеси падает с уменьшением энергии Е_Д или Е_А, то для наблюдения длинноволнового примесного поглощения необходимо охлаждение полупроводника до достаточно низкой температуры.

Так, например, спектр примесного поглощения Ge, легированного золотом Au с Е_ПР = 0,08 эВ с границей поглощения = 9 мкм, наблюдается при температуре жидкого азота Т = 77 К. Коэффициент примесного поглощения зависит от концентрации примеси и лежит в пределах _ПР 1…10 см^-1.

Спектральная зависимость фотопроводимости

Спектральная зависимость фотопроводимости определяется спектром поглощения (_ФОТ).



При уменьшении длины волны света необходимо учитывать следующее обстоятельство: при h_ФОТ >> Eg коэффициент поглощения _С весьма велик.

Следовательно, глубина проникновения излучения ограничивается очень тонким приповерхностным слоем полупроводника. Но в этом слое очень большая скорость поверхностной рекомбинации и концентрация неравновесных носителей заряда стремится к нулю.

Поэтому в области собственного поглощения наблюдается не только длинноволновый спад фотопроводимости, но и коротковолновый и график фототока от длины волны света имеет вид, показанный на рис.

...