/
Author: Бобров И.И.
Tags: электротехника физика электроника полупроводниковые приборы учебное пособие интегральные микросхемы
ISBN: 5-88151-173-5
Year: 2003
Text
Министерство образования Российской Федерации
Пермский государственный технический университет
И.И. Бобров
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Утверждено Редакционно-издательским
советом университета
в качестве учебного пособия
Пермь 2003
УДК 621.382
Б72
Рецензенты:
Вице-президент Пермского регионального отделения
«Западно-Уральская академия информациологии»
Международной Академии информатизации
д-р техн, наук, проф. А. А. Южаков',
Доц. кафедры «Автоматика и телемеханика»
Пермского государственного технического
университета, канд. техн, наук Э. С. Заневский
Бобров И.И.
Б 72 Физические основы электроники: Учеб, пособие / Перм. гос. техн,
ун-т. - Пермь, 2003. - 158 с.
ISBN5-88151-173-5
Рассмотрены физические основы проводимости полупроводников,
физика полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, основ-
ные свойства, характеристики и параметры распространенных полупро-
водниковых приборов. Кратко рассмотрены технологические вопросы по-
лучения полупроводниковых приборов и микросхем. Дано представление
об уровне развития современной микроэлектроники, ее проблемах и пер-
спективах развития.
Предназначено для студентов специальностей «Управление и ин-
форматика в технических системах», «Сети связи и системы коммутации».
Ориентировано на студентов заочного обучения.
УДК 621.382
ISBN5-88151-173-5
© Пермский государственный
технический университет, 2003
ВВЕДЕНИЕ
Электроника - это область науки, техники и производства, охваты-
вающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их
использования [1].
Микроэлектроника - это раздел электроники, охватывающий иссле-
дование и разработку качественно нового типа электронных приборов -
интегральных микросхем - и принципов их применения.
Развитие электроники
Как самостоятельная область науки и техники электроника начала
развиваться на границе XIX и XX вв., после открытия термоэлектронной
эмиссии (1883 г.), фотоэлектронной эмиссии (1888 г.), разработки вакуум-
ного диода (1903 г.) и вакуумного триода (1904 г.).
На становление и дальнейшее развитие электроники решающее
влияние оказало изобретение радио (1885 г.). Вначале электроника разви-
валась только как радиоэлектроника, обслуживающая нужды радиотехни-
ки. Совершенствовались радиолампы. В 20-х годах XX в. в России, в Ни-
жегородской радиолаборатории, под руководством М.Н. Бонч-Бруевича
был освоен выпуск триодов с водяным охлаждением, которые позволили
создать мощные передающие радиостанции. Большую роль в развитии
электроники сыграла радиолокация, широко использовавшаяся в годы вто-
рой мировой войны.
Нерадиотехническое применение электроники долгое время разви-
валось под сильным влиянием радиоэлектроники, из которой заимствова-
лись основные элементы, схемы и методы. Однако дальнейшее развитие
нерадиотехнических применений электроники пошло по самостоятельно-
му пути, прежде всего в области ядерных исследований (с 1943 г.), вычис-
лительной техники (с 1949 г.) и массовой автоматизации производствен-
ных процессов. Особенно важным этапом в развитии электроники является
послевоенный период.
Типичная конструкция электронного устройства в конце войны - ме-
таллическое шасси с закрепленными на нем различными .элементами. Ос-
новным электронным прибором была электронная лампа. Электронные
устройства такой конструкции потребляли много энергии, выделяя много
тепла, имели большой вес и габариты.
Средняя плотность монтажа была чрезвычайно низкой - до
0,01 эл/см3. Развитие авиации и ракетостроения особенно остро поставило
задачи значительного уменьшения габаритов и веса, снижения потребляе-
мой мощности, уменьшения стоимости. Применение малогабаритных ламп
4
и печатного монтажа увеличило среднюю плотность монтажа до 0,1 эл/см3.
Сделать монтаж более компактным при использовании электронных ламп
было невозможно из-за трудности отвода выделяемого тепла. Нужны были
принципиально новые элементы и принципы конструирования. Такими
новыми элементами явились полупроводниковые приборы, которые от-
крыли новые широкие возможности для конструирования аппаратуры.
Производство полупроводниковых приборов начало развиваться
бурными темпами. Транзистор был изобретен в 1948 г. в США. В 1955 г. в
мире выпускалось 350 типов транзисторов, а в 1963 г. - уже 3000 типов. В
1956 г. только в США изготовлялось 14 млн транзисторов в год, а в 1961 г.
в Японии - 200 млн транзисторов в год.
В нашей стране огромный вклад в развитие теории полупроводнико-
вых приборов внесла школа академика А.Ф. Иоффе.
Полупроводниковые приборы не требуют подогрева, потребляют
очень мало энергии, имеют малые габариты и вес.
Все это позволило сделать монтаж максимально компактным, резко
снизить габариты и вес оборудования. Появился новый тип конструкции -
модуль, в котором использовались малогабаритные детали. Плотность
монтажа достигла 2,5 эл/см3. Однако электронная аппаратура совершенст-
вовалась настолько быстро, что и этот уровень уже не удовлетворял требо-
ваниям. Но дальнейшее повышение плотности монтажа было невозмож-
ным, так как детали занимали почти весь объем конструкции. Однако при
этом большая часть объема была все же занята арматурой и защитными
корпусами. Например, у транзистора «активная часть» занимала не более
1 % объема транзистора. Кроме того, уменьшение размеров элементов
пришло в противоречие с техникой навесного монтажа, которая стала но-
сить ювелирный характер.
Последние 50 лет (начиная с 50-х годов) происходит интенсивное
совершенствование электронных приборов, являющихся элементной базой
радиоэлектроники (РЭ). В 50-е годы происходило бурное развитие произ-
водства полупроводниковых приборов - транзисторов и диодов. Этот пе-
риод называют этапом дискретной полупроводниковой электроники или
дискретных полупроводниковых компонентов. Интенсивное развитие по-
лупроводниковой электроники привело к появлению в 60-е годы новых
полупроводниковых приборов - интегральных микросхем (ИС). Они полу-
чили широкое распространение и в настоящее время являются основной
элементной базой РЭ. Область РЭ, связанную с научно-технической и про-
изводственной стороной изготовления и применения ИС, называют микро-
электроникой. Аппаратура, выполненная на базе ИС, получила название
микроэлектронной аппаратуры (МЭА).
Так что же такое ИС?
Достаточно полно отражает содержание понятия ИС такая формули-
ровка: ИС - это функциональный узел (блок), состоящий из ряда активных
и пассивных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле в
одном кристалле кремния и соединенных между собой межсоединениями
(внутренними соединениями), изготовленными в том же технологическом
цикле.
Термин «схема» приобрел смысл «устройство», «объект» (как тер-
мины «транзистор», «диод»), а не «электрическая схема устройства» с ус-
ловным обозначением входящих в него элементов. Термин «интегральная»
Означает факт объединения (интеграции) группы радиоэлементов в одном
устройстве, неразделимом на составные части. Кроме термина «интеграль-
ная микросхема» используются его синонимы «интегральная схема» и
просто «микросхема».
Таким образом, микросхема является «строительным кирпичиком»
(не разделяющимся на части), из которого могут строиться более сложные
устройства. С этой точки зрения микросхема - новый электронный прибор,
правда, во много раз сложнее транзисторов и диодов.
Важной особенностью микроэлектроники является разработка и вне-
дрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов
микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит к уве-
личению функциональных возможностей микросхем, повышению их на-
дежности и быстродействия. Так, возможность размещения в одном кри-
сталле 5000 транзисторов позволила создать наручные электронные часы.
Возможность размещения 20 000 транзисторов при таких же размерах кри-
сталла вызвала появление микрокалькуляторов.
Значительный прогресс в электронике заметен в последние десяти-
летия: созданы большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и
СБИС). В этих микросхемах количество элементов достигает, нескольких
сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2-3 мкм. Быстродей-
ствие БИС измеряется миллиардными долями секунды. Создание БИС
привело к появлению микропроцессоров (устройств цифровой обработки
информации, осуществляемой по программе) и микроЭВМ, использование
которых в промышленности позволит уменьшить трудоемкость выпускае-
мых изделий, их стоимость, габариты, потребляемую мощность, Повысить
надежность на порядок-
Особые свойства электронных приборов
Электронные приборы обладают рядом особых свойств, обеспечи-
вающих их значительное преимущество перед другими приборами. Ос-
новными из них являются:
1. Быстродействие (практически безынерционное). Время нарастания
импульсов в устройствах электроники достигает 10'8 с, а в ядерной физике
- 1О'° с.
2. Высокая чувствительность к малым сигналам. При помощи элек-
6
тронных приборов можно измерить токи до 10'16 А и мощности до 10'25 Вт
при прямом измерении. При косвенном измерении регистрируется пролет
отдельной заряженной частицы. Чувствительность электронных приборов
ограничивается только собственными шумами и естественным фоном.
3. Универсальность. Она заключается в том, что в электрическую
энергию, на измерении которой основано действие всех видов электрон-
ных приборов, сравнительно легко преобразуются другие виды энергии:
механическая, тепловая, акустическая, атомная и др. Подобная универ-
сальность очень важна для промышленной электроники, так как в про-
мышленности используются все виды энергии.
7
Глава 1.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРОВОДИМОСТИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Полупроводниковые приборы - это такие электронные приборы, в
которых движение электронов и изменение концентрации электронов
(протекание тока) происходит в кристаллическом твердом теле - кристалле
полупроводника. При движении в кристалле носители тока (электроны)
многократно сталкиваются с узлами кристаллической решетки. Вследствие
этих столкновений движение носителей тока (электронов) становится хао-
тическим. При протекании тока на хаотическое движение накладывается
направленное движение, обусловленное силами электрического поля или
силами диффузии. Свойства полупроводниковых приборов, их параметры
во многом определяются внутренними свойствами кристалла полупровод-
ника (температурой, концентрацией примеси, объемными и поверхност-
ными свойствами кристалла и т.д.). Для понимания принципа действия и
квалифицированного применения полупроводниковых приборов необхо-
дим некоторый объем знаний из физики твердого тела и теории электро-
проводности. Поэтому непосредственному изучению устройства полупро-
водниковых приборов предшествует раздел, в котором в краткой форме
приведены необходимые сведения из указанных разделов.
1.1. Общие сведения о полупроводниковых материалах
К полупроводниковым материалам (полупроводникам) относят ог-
ромную группу материалов, удельное сопротивление (р) которых находит-
ся в пределах от 10'3- 10'2 до 108 Ом-см (у металлов р = 10'6 ... 10‘4 Ом-см,
у изоляторов р = 108 ... 1022 Ом-см). Такое деление было принято сравни-
тельно давно, когда рассматривали только сопротивление электрическому
току. С этой точки зрения полупроводники - это плохие проводники. Од-
нако позднее выяснилось, что полупроводники гораздо ближе по свойст-
вам к изоляторам и являются, скорее, «плохими изоляторами», но за полу-
проводниками сохранили их традиционное название. В настоящее время в
полупроводниковых приборах практически используются лишь германий
(Ge) и кремний (Si), значительно реже - арсенид галлия (GaAs). Поэтому в
дальнейшем будут рассматриваться полупроводники на примере германия
и кремния и соответственно германиевые и кремниевые полупроводнико-
вые приборы. Однако следует иметь в виду, что поиски новых полупро-
водниковых материалов интенсивно продолжаются во всех странах и воз-
можно появление новых полупроводниковых материалов уже в ближай-
шем будущем.
1.1.1. Энергетические зонные диаграммы кристаллов
Из курса физики известно, что каждый электрон в отдельном атоме
(не взаимодействующем с другими атомами) находится на строго опреде-
ленной орбите. Орбиты электронов группируются в слои (оболочки). Дви-
жение электрона по орбите описывается четырьмя квантовыми числами.
Каждой орбите соответствует определенный энергетический уровень
(энергия связи с ядром). Расположение энергетических уровней определя-
ется квантовыми числами (главным - п, орбитальным - /, орбитальным
магнитным - mt). Согласно принципу Паули, на одном энергетическом
уровне может быть не больше двух электронов (с разными спиновыми
квантовыми числами ms). При образовании кристалла (при сближении ато-
мов) вследствие взаимодействия размещенные энергетические уровни от-
дельного атома расщепляются на большое число дискретных уровней, рас-
положенных очень близко и образующих зоны разрешенных энергетиче-
ских уровней (рис. 1.1). При этом каждому разрешенному уровню в оди-
ночном атоме соответствует зона разрешенных энергетических уровней в
кристалле. Между зонами разрешенных уровней расположены запрещен-
ные зоны, в которых нет разрешенных уровней энергии для электронов.
Таким образом, линейчатый энергетический спектр одиночного (свободно-
го) атома превращается в зонный спектр (с запрещенными и разрешенны-
ми зонами) в твердом теле. Расположение зон в кристалле определяется
строением атомов и расстоянием между атомами (го на рис. 1.1). При этом
близкие к ядру уровни (Ls, 2s, 2р) не взаимодействуют на расстоянии га и
их уровни не расщепляются. В невозбужденном состоянии (Т - О К) элек-
троны заполняют ближайшие к ядру уровни (низкие уровни на рис. 1.1).
Зоны, в которых все уровни заняты в невозбужденном состоянии, на-
зывают заполненными зонами. Верхняя заполненная зона именуется ва-
лентной зоной (она заполнена валентными электронами). Следующая за
валентной (от ядра) зона уровней, не занятых (или частично занятых) при
Г = О К, называется зоной проводимости (находясь на уровнях зоны про-
водимости, электроны могут участвовать в проведении электрического то-
ка).
Рис. 1.1
Электропроводность кристаллов определяется взаимным расположе-
нием валентной зоны и зоны проводимости. У диэлектриков (рис. 1.2,а)
валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещенной зо-
ной Д1Р в 5—10 электрон-вольт. У полупроводников (рис. 1.2,6) запрещен-
Рис. 1.2
ная зона AH'не превышает 2 эВ (0,7 эВ у германия и 1,1 эВ у кремния). У
металлов либо валентная зона и зона проводимости перекрываются
(рис. 1.2,в), либо зона проводимости частично заполнена электронами
(рис. 1.2,г).
10
1.1.2. Прохождение тока через металлы
Металлы имеют кристаллическое строение. Все валентные электро-
ны атомов обобщены и образуют «электронный газ». Обобщенные валент-
ные электроны не имеют связи с конкретными атомами и могут легко пе-
ремещаться по металлу (находятся в зоне проводимости). Однако все вме-
сте они нейтрализуют заряды всех ядер и в целом металл нейтрален. При
отсутствии электрического поля (Е =0) электроны «электронного газа»
совершают хаотические тепловые движения во всех направлениях с оди-
наковой вероятностью. Направленное движение электронов отсутствует.
При наличии электрического поля (Е Ф 0) внутри кристалла на хао-
тическое движение накладывается направленное движение электронов под
действием сил поля (дрейф электронов). Появляется постоянная состав-
ляющая скорости электронов - скорость дрейфа идр, обусловленная воз-
действием электрического поля Е и взаимодействием с узлами решетки
(одно поле Е вызывает равноускоренное движение). Дрейфовую скорость
при напряженности электрического поля в 1 В/см называют подвижностью
электронов ц„
1.2. Собственная проводимость полупроводников
Чистые германий и кремний имеют кристаллическую решетку ал-
мазного типа, в которой каждый атом, находящийся в узле, связан с че-
тырьмя другими ближайшими атомами ковалентными связями. Плоский
эквивалент такой структуры приведен на рис. 1.3,а, а энергетическая диа-
грамма этой структуры (точнее, запрещенная зона с прилегающими к ней
дном зоны проводимости и потолком валентной зоны; именно эта часть
определяет электрические свойства полупроводника, и в дальнейшем всю-
ду под энергетической диаграммой будет пониматься эта часть) - на
рис. 1.3,6.
При температуре абсолютного нуля (Т= 0 К) все валентные электро-
ны участвуют в ковалентных связях и прочно связаны со своими атомами.
Свободных электронов нет. Ток проходить не может, т.е. полупроводник
при Т = 0 К является изолятором. На энергетической диаграмме все элек-
троны находятся в валентной зоне. В зоне проводимости электронов нет.
Ширина запрещенной зоны EW соответствует энергии ковалентной связи
(0,7 эВ у Ge, 1,1 эВ у Si). При нагревании кристалла некоторые электроны
под действием тепловой энергии (фононов) вырываются из ковалентной
связи и становятся свободными электронами, не связанными с конкретны-
11
Рис. 1.3
ми атомами (рис. 1.3,в). Эти электроны могут участвовать в проведении
электрического тока. Под свободными понимаются электроны, могущие
передвигаться (хаотически или направленно) внутри кристалла. Однако
покинуть кристалл они не могут. Для вылета электронов из кристалла
(термоэмиссии) нужно преодолеть высокий потенциальный барьер у по-
верхности. На энергетической диаграмме (рис. 1.3,г) разрыву ковалентной
связи соответствует преодоление запрещенной зоны и «заброс» электрона
в зону проводимости. Занятые электронами уровни в зоне проводимости
обозначены тонкими линиями. На месте каждого ушедшего электрона ос-
талась незаполненная ковалентная связь и нескомпенсированный положи-
тельный заряд ядра атома. Такое состояние (отсутствие электрона в кова-
12
лентной связи) условно называют дыркой. Дырка может захватить элек-
трон из ближайших заполненных связей, в результате чего она окажется на
новом месте, т.е. дырка может перемещаться по кристаллу. Таким образом,
дырка является свободным положительным зарядом и может участвовать в
проведении электрического тока. Процесс образования свободных элек-
тронов и дырок при нагревании называют тепловой генерацией пар элек-
трон - дырка (термогенерацией). Проводимость, обусловленную тепловой
генерацией электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют соб-
ственной проводимостью. Интенсивность тепловой генерации сильно за-
висит от температуры.
Свободные электроны и дырки, появляющиеся в процессе тепловой
генерации, совершают тепловые движения по кристаллу в течение некото-
рого времени, называемого временем жизни (в теории полупроводников
используются средние времена жизни электронов т„ и дырок тД. Затем
свободный электрон и дырка встречаются и взаимоуничтожаются. Такой
процесс исчезновения дырок и свободных электронов называют рекомби-
нацией. Рекомбинация всегда происходит одновременно с тепловой гене-
рацией (иначе происходило бы неограниченное накопление свободных но-
сителей). Интенсивность рекомбинации увеличивается с увеличением кон-
центрации свободных носителей. В стационарном режиме устанавливается
равновесие между тепловой генерацией и рекомбинацией (интенсивности
их уравниваются) при определенной концентрации свободных носителей,
называемой равновесной концентрацией. Каждому значению температуры
кристалла соответствует своя равновесная концентрация собственных
электронов и, и дырокр,. При этом всегда электроны и дырки появляются и
исчезают парами. Значит, и средние времена жизни электронов и дырок в
собственном полупроводнике равны (т„ = хр).
Для Ge при комнатной температуре (Г = 300 К), например из работ
[2,3],
Ч|г =л|г =2,5-1013 1/см3,
что соответствует удельному сопротивлению германия при комнатной
температуре
pL =50 Ом-см.
г lue
Для кремния при комнатной температуре
4.М81“2-1О1о1/см3,
что соответствует удельному сопротивлению кремния при комнатной тем*
пературе
p|si = 2 • 105 Ом • см.
13
В этих выражениях i означает собственную проводимость, п - кон-
центрацию электронов, р - концентрацию дырок.
Собственная проводимость сильно зависит от температуры. Ниже
будет показано, что эта зависимость экспоненциальная.
1.3. Примесная проводимость полупроводников
Ничтожное количество примеси резко изменяет свойства полупро-
водника. Различают вредные и полезные примеси. Вредные примеси
ухудшают свойства полупроводника. Они остаются в полупроводнике по-
сле очистки, так как в настоящее время невозможно получить идеально
чистый полупроводник. Полезные примеси вводят преднамеренно в кон-
тролируемых количествах для придания полупроводнику нужных свойств.
Атомы примеси могут размещаться в междоузлиях решетки Ge - примесь
внедрения, или замещать в узлах решетки атомы Ge - примесь замещения.
Проводимость, обусловленную наличием примеси в полупроводнике, на-
зывают примесной проводимостью.
В зависимости от свойства примеси возможна примесная проводи-
мость двух типов: электронная и дырочная.
1.3.1. Электронная проводимость. Полупроводник и-типа
Рассмотрим полупроводник n-типа. Если в чистый кристаллический
Ge добавить ничтожную долю атомов 5-валентного элемента, например
сурьмы Sb, то атомы Sb замещают в узлах кристаллической решетки ато-
мы Ge (вообще, под примесью понимают любое нарушение кристалличе-
ской решетки - примесь внедрения, примесь замещения и даже просто ис-
кажения структуры решетки. Однако проще пояснить механизм действия
примеси на примере примеси замещения). Четыре валентных электрона Sb
заменяют в ковалентных связях электроны Ge и оказываются прочно свя-
занными с атомом. Пятый электрон Sb не участвует в ковалентных связях
и слабо связан с ядром Sb. Энергия связи пятого электрона с ядром, назы-
ваемая энергией активации, во много раз меньше энергии ковалентной
связи и составляет всего 0,01 эВ. При температуре абсолютного нуля (0 К)
тепловая энергия равна нулю и даже пятые электроны атомов Sb, не вхо-
дящие в ковалентные связи, связаны со своими атомами. Свободных элек-
тронов нет, т.е. при 0 К и примесный полупроводник является изолятором.
На рис. 1.4 показаны плоский эквивалент решетки германия с атомом Sb и
энергетическая диаграмма этой структуры.
Разрешенный энергетический уровень с валентным электроном Sb
располагается в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (элемен-
«М. не имеющие энергетического уровня с электронами в этой части диа-
траммы, не могут быть донорами). Концентрация примеси должна быть
14
настолько малой, чтобы энергетического взаимодействия между атомами
примеси не было (расстояние между атомами примеси превышает радиус
взаимодействия), поэтому энергетический уровень примеси не расщепля-
ется. На диаграмме этот уровень состоит из отдельных отрезков, соответ-
ствующих условно местам расположения атомов Sb вдоль кристалла. Рас-
стояние между нижним краем зоны проводимости и примесным уровнем
Sb соответствует энергии активации примеси
б
Рис. 1.4
При нагревании кристалла слабо связанные электроны легко отры-
ваются от атомов Sb и становятся свободными. На месте атома Sb остается
положительный ион + Sb, но он не является дыркой, так как сам он пере-
15
двигаться не может (атом Sb связан в узле решетки) и отбирать электроны
из ковалентных связей тоже не может (все ковалентные связи заполнены).
На энергетической диаграмме электроны с уровня примеси «забрасывают-
ся» в зону проводимости и на месте атомов Sb остаются положительные
атомы, отмеченные кружком со знаком «+» внутри. Дырок в валентной зо-
не при этом не образуется. Таким образом, атом 5-валентной примеси дает
один свободный электрон и не дает при этом дырки. Такую примесь назы-
вают донорной примесью (т.е. отдающей электрон) или просто донором.
Проводимость, обусловленную электронами, называют электронной про-
водимостью, а полупроводник с электронной проводимостью - полупро-
водником п-типа (или электронным полупроводником). Поскольку энер-
гия активации доноров ДИл мала, то уже при комнатной температуре
(300 К) все атомы примеси ионизированы, т.е. слабо связанные электроны
стали свободными (но не лишними!), не принадлежащими конкретным
атомам. Но все вместе свободные электроны компенсируют положитель-
ные заряды ионов примеси, и в целом полупроводник нейтрален. При этом
имеет место и тепловая генерация собственных носителей (и„ />,), и реком-
бинация. Однако концентрация примеси выбирается на несколько поряд-
ков больше концентрации собственных носителей при Т = 300 К. Поэтому
в некотором интервале температур (около 300 К) концентрация собствен-
ных носителей (особенно ее изменения с температурой) практически не
влияет на проводимость примесного полупроводника, которая остается
при этом целиком примесной и определяется концентрацией примеси.
Итак, при введении в германий донорной примеси проводимость германия
становится электронной, величина проводимости целиком определяется
концентрацией примеси донора Д', и в некотором диапазоне температур
остается постоянной. В этом и заключается основное свойство примеси.
Электроны в полупроводнике п-типа называют основными носите-
лями и обозначают п„, а дырки именуют неосновными носителями и обо-
значают р„ (все величины, относящиеся к полупроводнику и-типа, обозна-
чают индексом и).
При этом концентрация электронов п„ определяется концентрациями
донорных электронов пЛ и собственных электронов и,:
Пп=пл+П,п >
где ид = Na.
При комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, а
концентрация доноров намного превышает концентрацию собственных
носителей (2V, » и,), поэтому
яя*Л^д»и,-. (1.1)
ОбычноNa = 1015... 1018см~3.
Концентрация же дырок р„ в полупроводнике и-типа ничтожна
16
(Рп « л), поскольку вероятность рекомбинации дырки с электроном резко
возрастает при большой концентрации электронов п„ и равновесие между
генерацией собственных носителей (интенсивность генерации определяет-
ся температурой) и рекомбинацией устанавливается при меньшей концен-
трации дырок. В свою очередь, это приводит к резкому уменьшению вре-
мени жизни дырок тр в полупроводнике и-типа. Поскольку скорость исчез-
новения дырок и электронов одинакова, то время жизни электронов т„ при
этом резко увеличивается.
Теория устанавливает следующее соотношение для равновесных
концентраций носителей в полупроводнике и-типа [2,3]:
n„-pp=ni-pi=nj=pj. (1.2)
Пример 1.1,
Концентрация примеси доноров Na = 1018 см-3. Каковы концентрации
основных и„ и неосновных р„ носителей?
Согласно (1.1) п„ »^=1018 см'3,
и,2 (2,5-10'3)2 , ,л8 .
согласно (1.2) Рп~ — ~---ТлГв--= 6-10 см 3.
пп 10
1.3.2. Дырочная проводимость. Полупроводник р-типа
При добавлении в чистый кристаллический германий 3-валентных
элементов, например индия In (бора, алюминия и др.), атомы In замещают
в узлах кристаллической решетки атомы германия (замечания относитель-
но концентрации и характера примеси для полупроводника w-типа целиком
справедливы и здесь). Три валентных электрона In заполняют только три
ковалентные связи из четырех. Одна ковалентная связь остается незапол-
ненной. В эту незаполненную ковалентную связь могут легко переходить
электроны из соседних ковалентных связей. Необходимая для этого энер-
гия, тоже называемая энергией активации, составляет около 0,01 эВ.
При температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) тепловая энергия ато-
мов равна нулю, поэтому электроны не могут переходить даже на незаня-
тые ковалентные связи индия, и все электроны германия находятся в своих
ковалентных связях. Свободных носителей нет, полупроводник - изолятор.
Плоский эквивалент решетки Ge с примесным атомом In в узле и энерге-
тическая диаграмма этой структуры для Т = 0 К приведены на рис. 1.5,а.
Разрешенный незаполненный энергетический уровень In с валентными
электронами находится в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зо-
ны (элементы, не имеющие энергетического незаполненного уровня в этом
месте, не могут быть акцепторами). Концентрация должна быть настолько
17
мала, чтобы атомы In не взаимодействовали и энергетический уровень
примеси не расщеплялся. На диаграмме этот уровень состоит из отрезков,
соответствующих условно местам расположения In вдоль кристалла. Рас-
стояние между высшим уровнем валентной зоны и примесным (акцептор-
ным) уровнем In соответствует энергии активации А Ил-
а
Г=0К
При нагревании под действием энергии электроны из ковалентных
связей германия могут перескакивать в незаполненные ковалентные связи
примеси In. При этом атом примеси становится отрицательным ионом с
заполненными ковалентными связями (жестко связанным в узле решетки и
не могущим принимать участия в проводимости тока), а на месте «пере-
скочившего» электрона остаются незаполненная ковалентная связь и не-
скомпенсированный единичный положительный заряд ядра Ge, т.е. на мес-
те перескочившего электрона образуется дырка - свободный носитель тока
положительной полярности. На энергетической диаграмме перескакива-
18
нию электронов из ковалентных связей германия в незаполненные кова-
лентные связи примеси In соответствует переход электронов из валентной
зоны на уровень примеси In. Образовавшиеся отрицательные ионы приме-
си обозначены кружками со знаком «-» внутри на примесном (акцептор-
ном) уровне. На месте ушедших электронов в валентной зоне остались
дырки, отмеченные пунктирными линиями. Электроны в зоне проводимо-
сти при этом не появляются. Таким образом, атом 3-валентной примеси
обусловливает появление одной дырки и не дает при этом свободного
электрона.
Такую примесь называют акцепторной примесью (т.е. принимающей
электрон) или просто акцептором. Проводимость, обусловленную дырка-
ми, именуют дырочной проводимостью, а полупроводник с дырочной про-
водимостью - полупроводником р-типа (или дырочным полупроводни-
ком). Поскольку энергия активации Дмала, то уже при комнатной тем-
пературе (Т = 300 К) все атомы акцепторной примеси оказываются иони-
зированными, т.е. они захватывают по электрону из ковалентных связей
германия и появляются свободные (но не лишние!) положительные носи-
тели тока - дырки, не принадлежащие конкретным атомам. Но все вместе
дырки компенсируют отрицательные заряды ионов примеси (атомов при-
меси с перескочившими электронами), и в целом полупроводник остается
нейтральным. При этом также имеет место и тепловая генерация собствен-
ных носителей, и рекомбинация, однако концентрацию акцепторной при-
меси выбирают такую, при которой в некотором диапазоне температур
около комнатной (Г = 300 К) концентрация собственных носителей ни-
чтожна по сравнению о концентрацией акцепторных дырок, и проводи-
мость при этом оказывается целиком примесной. Итак, с введением в гер-
маний акцепторной примеси проводимость германия становится дыроч-
ной, величина проводимости целиком определяется концентрацией приме-
си акцептора N, и в некотором интервале температур остается неизменной.
Дырки в полупроводнике р-типа называют основными носителями
(концентрацию их обозначают рр), электроны - неосновными (концентра-
цию их обозначают пр). Индексом р обозначают все величины, относящие-
ся к полупроводнику р-типа.
При этом концентрация дырок рр определяется концентрациями ак-
цепторных ра и собственных piP дырок:
Рр = РЛ +PiP-
При комнатной температуре все атомы акцептора ионизированы
(ра = М), а концентрация акцепторов намного превышает концентрацию
собственных носителей (Ха» р,), поэтому
Рр xN3 »Pi- G-3)
19
Концентрация же электронов пр в полупроводнике p-типа ничтожна
(пр « Гц), поскольку вероятность рекомбинации резко возрастает при
большой концентрации дырок рр и равновесие тепловой генерации и ре-
комбинации устанавливается при меньшей концентрации пр. В свою оче-
редь, это приводит к резкому уменьшению времени жизни электронов т„ и
к увеличению времени жизни дырок тр в полупроводнике р-типа.
Теория устанавливает следующее соотношение для равновесных
концентраций носителей в полупроводнике р-типа:
Рр -пр = Р, 'п, = Pt =ni- (1-4)
Пример 1.2.
Концентрация акцепторов Nt = 1017 см “3. Каковы концентрации ос-
новных рр и неосновных пр носителей?
Согласно (1.3) pp«7Va= 1017см"3,
_п,2 (2,5-1013)2 £ 1п9 ,
согласно (1.4) пР----------------= 6-10 см 3.
1.4. Однородный и неоднородный полупроводник
Если концентрация атомов примеси распределена равномерно по
всему объему полупроводника, то и концентрация свободных носителей
тока также распределена равномерно по всему объему. Такой полупровод-
ник называют однородным. Полупроводник с неравномерным распределе-
нием примеси, а следовательно, и с неравномерным распределением кон-
центраций свободных носителей называют неоднородным. В неоднород-
ном полупроводнике возникают градиенты потенциалов (внутренние элек-
трические поля) — и градиенты концентрации свободных носителей —
dx dx
dn
или —.
dx
l.S. Неравновесная концентрация носителей
В полупроводнике можно увеличить концентрацию носителей сверх
равновесной, например, освещением кристалла, нагревом его сверх уста-
новившейся температуры или введением носителей извне. Концентрация
носителей при этом будет превышать равновесную на величину избыточ-
ной концентрации Ди (или Др), а общая концентрация будет неравновес-
ной. При появлении избыточной концентрации появляются электрическое
20
- dn . dp. „ e
поле E и градиент концентрации — (или —Процесс появления избы-
dx dx
точных носителей называют возмущением, а факторы, вызывающие его, -
возмущающими.
Важную роль в работе полупроводниковых приборов играют про-
цессы возмущения (появления избыточных носителей) неосновных носи-
телей в примесных полупроводниках. Пусть, например, освещена область
Дг кристалла полупроводника и-типа. Под действием света повышается
интенсивность генерации собственных носителей р(, п,. Концентрация ды-
рок рп и электронов п„ при этом увеличивается на одинаковую величину
Др„ и Ди„, но Ди„ почти не изменит очень высокую (п„ » р„~) концентрацию
основных носителей. В то же время Др„ резко изменит равновесную кон-
центрацию неосновных носителей рп до неравновесной концентрации рл0
(Рпо = Рп+ &Рп) (рис. 1.6,а). Избыточные носители Др„ начнут распростра-
няться из области возмущения Дх в области с меньшей концентрацией (та-
кой процесс называется диффузией). За пределами области возмущения Дг
нет дополнительной генерации (не действует возмущающий фактор), по-
этому избыточные дырки рекомбинируют через среднее время жизни хр,
распространяясь на некоторое расстояние от области возмущения, опреде-
ляемое средней длиной диффузии Lp. Уменьшение концентрации от нерав-
новесной р„о до равновесной р„ за пределами возмущения происходит по
экспоненте с постоянной Lp. Возмущение неосновных носителей (Дрп) час-
то вызывается инжекцией (введением извне) избыточных носителей из ды-
рочной области. После прекращения действия возмущающего фактора
(прекращения освещения) концентрация дырок уменьшается от неравно-
весной р„а до равновесной рп по экспоненте с постоянной хр (рис. 1.6,6)
(скорость исчезновения избыточных неосновных носителей определяется
временем жизни тр). Аналогичные процессы будут происходить при воз-
мущении и в полупроводнике /2-типа для неосновных носителей - электро-
нов с концентрацией пр, средней длиной диффузии L„ и средним временем
Рис. 1.6
21
Скорость восстановления равновесного состояния полупроводника
после возмущения (или скорость исчезновения избыточных, основных и
неосновных носителей) оценивают средним временем жизни т с учетом
времени жизни основных и неосновных носителей:
V
т =---— .
Для дырочного полупроводника тр » т„, поэтому т ® хр, для элек-
тронного полупроводника тл» и т = т„, т.е. для примесного полупро-
водника время жизни т определяется временем жизни неосновных носите-
лей. Время жизни т может быть измерено экспериментально. Для моно-
кристаллов германия и кремния т составляет 10-100 мкс. Однако в реаль-
ных полупроводниковых приборахдр-за поверхностной рекомбинации и
дефектов решетки т, называемое эффективным временем жизни, составля-
ет 0,1-2,0 мкс [2].
1.6. Прохождение тока через полупроводники
В отличие от металла, в полупроводниках возможны два типа носи-
телей тока - электроны и дырки, поэтому плотность тока j в полупровод-
нике определяется электронной jn и дырочной jp составляющими:
j = J„ +JP-
Кроме того, направленное движение каждого из носителей (ток) мо-
жет быть обусловлено электрическим полем - дрейфом носителейудр (хак в
металлах), а также градиентом концентрации носителей - диффузией но-
сителейудиф:
Jn ~ J пдр J р ~ J pop + Jрдиф '
Таким образом, плотность полного тока через любое сечение полу-
проводника может состоять из четырех компонентов:
J ~ J пар "* 7лдиф + J pop J рдиф •
Плотность дрейфовой составляющей
Jвр ~~ jпар + Jрщр ~ Я ' п ' №п ' & + Я ‘ Р ' №р ' & (1-5)
обусловливает удельную проводимость
= (1-6)
Е И
22
где q - единичный заряд электрона и дырки;
п, р- концентрации электронов и дырок;
ра, подвижности электронов и дырок, определяемые так же, как и в
металлах.
Подвижности носителей р„, цр в полупроводниках в общем случае
являются сложными функциями температуры и концентрации носителей.
Однако в невырожденных (далеких от вырождения) полупроводниках ц„,
цр не зависят от концентрации. При небольших колебаниях температуры
около Т = 300 К изменения подвижностей также невелики. Для температу-
ры Т = ЗООК ц„=3800, цр= 1800 см/(В-с) для германия и ц„= 1400,
цр= 500 см/(В-с) для кремния [2,3].
Для собственного, электронного и дырочного полупроводников мож-
но записать соответственно:
=2-«,(Цл + ИР),
^п=Ч-пп-\1п, (1.7)
<3P=q-Pp’V-p-
По удельным проводимостям (1.7), легко измеряемым, могут быть
практически определены концентрации носителей.
Плотности диффузионных составляющих токов определяются гра-
диентами концентраций [2,3]:
„ d» dn .. о.
7диф — 7/?диф 7лдиф q ’ 77'р + q 77rt , (1.8)
где Dn, Dp - коэффициенты диффузии дырок и электронов. Для германия
D„ = 100, Dp = 45 см/с, для кремния D„ = 36, Dp= 13 см/с.
Подставляя-значения плотностей дрейфовой (1.5) и диффузионной
(1.8) составляющих, можно записать плотность полного тока в виде
; = -E + q-D„^- + q- р-р -E-q-D (1.9)
dx F <bc
Из (1.9) следует, что для нахождения токов в полупроводнике нужно
знать концентрации носителей тока и зависимость этих концентраций от
координаты.
1.7. Уточнение понятий «собственные»
и «примесные» полупроводники
В настоящее время невозможно получить «идеально чистый» (со-
всем без примеси) полупроводник. При очистке в полупроводнике остают-
ся вредные примеси. Однако полупроводник можно считать «собствен-
ным», если вредная примесь не искажает заметно «собственных» свойств
23
полупроводника. Для этого концентрация вредной примеси ивр (или />вр)
должна быть по крайней мере на порядок меньше концентрации собствен-
ных носителей и,- (или р,). Для германия при Т = 300 К л, = 2,5-1013см 3,
значит, ивр < 2,5-1012 см'3. Допустимое процентное содержание вредной
примеси
^-100« 10’6 %.
N
Получение полупроводников такой > чистоты представляет чрезвы-
чайно сложную техническую задачу и возможно только при использова-
нии специальных металлургических методов очистки, таких как метод
«зонной плавки» и метод «вытягивания из расплава» (метод Чохральско-
Го)[1].
Не менее сложной задачей является и получение примесного полу-
проводника с заданными свойствами, для чего нужно строго дозировать
количество атомов примеси. Например, для сохранения характерных полу-
проводниковых свойств концентрация полезной примеси (донорной или
акцепторной) должна быть на уровне 1(Н % [2], т.е. на 2-3 порядка и более
превышать концентрацию собственных носителей в германии при
Т = 300 К (при этом собственная проводимость не различима на «фоне»
примесной проводимости). Если же концентрация полезной примеси дос-
тигает 0,01-0,001 %, то полупроводник становится вырожденным: уровень
примеси размывается в зону и сливается с зоной проводимости (или с ва-
лентной зоной) полупроводника. При этом полупроводник теряет полу-
проводниковые свойства, превращаясь в полуметалл. Однако даже при та-
кой концентрации полупроводник остается химически чистым.
24
Глава 2.
КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ
СООТНОШЕНИЯ В ФИЗИКЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
В предыдущих разделах приведено качественное описание собст-
венной и примесных проводимостей. Для количественной характеристики
этих проводимостей, а также для определения зависимости проводимостей
от температуры и других факторов нужно знать концентрацию подвижных
носителей (электронов и дырок) в различных условиях. Эта концентрация
может быть найдена только из зонной теории твердого тела. Ниже рас-
сматривается упрощенное определение концентрации свободных носите-
лей в собственных и примесных полупроводниках и смещение уровня
Ферми в примесны,. полупроводниках, использующееся при дальнейшем
изложении. Для определения концентрации носителей в зонной теории ис-
пользуется функция распределения Ферми - Дирака, заимствованная из
статистической физики, и плотность квантовых состоянии gfl?) (плотность
энергетических уровней) в определенном энергетическом диапазоне dlP,
заимствованная из квантовой механики. Все остальные математические
положения зонной теории вытекают из этих двух посылок.
2.1. Функция распределения Ферми-Дирака
Из физики известно, что положение электрона может быть опреде-
лено лишь в вероятностном смысле. Распределение Ферми - Дирака дает
вероятность f„(W) того, что любой частный уровень энергии W занят
электроном [2,3]:
= , (2.1)
е кТ +1
где WF - уровень Ферми, вероятность занятия его равна 1 /2;
Т - абсолютная температура по Кельвину;
k - постоянная Больцмана.
25
В невырожденных состояниях W-WF » кТ и распределение (2.1) пе-
реходит в классическое распределение Больцмана - Максвелла:
W-WF
= е кТ . (2.2)
2.2. Плотность квантовых состояний
Из квантовой механики известно, что плотность квантовых состоя-
ний в разрешенных зонах изменяется по определенным законам.
В частности, для нижнего края зоны проводимости и верхнего края
валентной зоны плотность квантовых состояний g(Wz) (плотность энерге-
тических уровней) в узком диапазоне энергии б/Кна уровне W определяет-
ся следующим выражением [2,3] (в единицах объема - уровни/(Дж-см3)):
£
g(W)^c(W (2.3)
где /Угр - энергия границы зоны (верхнего края валентной зоны или нижне-
го края зоны проводимости);
3
2л (2 • m д)2
с =—(2.4)
иЭф - эффективная масса (электрона - в зоне проводимости, дырки - в
валентной зоне);
h - постоянная Планка.
2.3. Концентрация носителей в зонах
Концентрация электронов dn в диапазоне энергий d/K около уровня
W в зоне проводимости может быть определена как произведение вероят-
ности f„(W) занятия электронами уровня W и количества уровней g(/K) d/K
в этом диапазоне:
dn=2f„(W)g(W)dW.
Тогда концентрация электронов п по всей зоне проводимости опре-
делится интегрированием dn от ее нижнего края Wc в глубь зоны (для не-
вырожденных полупроводников в зоне проводимости справедливо (2.2)):
х со 1 W~WF ^e^F
n = 2\fn{W)g{W)dW=2-cc\(W-Wcy-e кт dW=Nc-e кт ,(2.5)
wc
где
-Г / з
Nc=2cc(kTY~ = О,5-1О16Р^ Т2. (2.6)
2 V тп )
26
Интеграл (2.5) приводится к табличному подстановкой х =-----.
кТ
Nc называют эффективной плотностью состояний в зоне проводимости.
Практически это максимально возможная концентрация п в невырожден-
ном состоянии, равная приблизительно 5-1019 см3. сс - коэффициент из
(2.4), в котором ?пЭф - эффективная масса электрона в зоне проводимости.
Концентрация дырок в валентной зоне находится таким же образом,
только вместо /,(^0 подставляется вероятность появления дырки в валент-
ной зоне fp(W), равная вероятности отсутствия электрона на этом уровне:
W-WF
. ~КГ~ ! Wf~W
I p Ki I —-----
f (W) = 1 - f (W ) = 1------= —--------=-------------- e kT
J ) J nV' ) w-wF w-wF w-wF ’
e kr +1 e kT +1 1 + e kT
а интегрирование no W производится от верхнего края в глубь валент-
ной зоны:
WF-W„
p = Nv-e кт , (2.7)
где
Nv =2-cv(kT)2~ = ^^^- = 0,5-1016f^^-?7’2. (2.8)
2 й3 I J
Nu называют эффективной плотностью состояний в валентной зоне.
Практически NB равна максимальной концентрации дырок в невырожден-
ном состоянии: Nd&Nc.
N
—-=1,7 и 2,8 для Ge и Si, т.е. эти значения близки, поэтому
Nv~ Nc-cu - коэффициент из (2.8), где тэф - эффективная масса дырки в
валентной зоне.
Концентрация свободных носителей п, р в (2.5) и (2.7) определена
при заданной температуре Т° через неизвестный уровень Ферми WF. В об-
щем случае уровень Ферми сам является функцией концентрации носите-
лей. Общее решение этой задачи довольно сложно, но для некоторых част-
ных случаев уровень Ферми WF может быть легко найден. Ниже определя-
ется используемый в последующем изложении уровень Ферми для собст-
венного и примесного полупроводников при температуре 300 К. Уровень
WF рассчитывается при тепловом равновесии из условий электрической
нейтральности полупроводника (закона сохранения заряда).
27
2.4. Собственный полупроводник
В собственном полупроводнике имеются только свободные электро-
ны и, и дырки р,. Доноров и акцепторов нет (Na = 0, Na - 0). Электрическая
нейтральность (равенство положительного и отрицательного зарядов) обу-
словлена равенством концентраций электронов и дырок:
и, = Pi.
Концентрацию собственных электронов и дырок согласно (2.5) и
(2.7) можно записать, обозначив уровень Ферми для собственного полу-
проводника W F :
wc-w‘F w‘F-wv
nj=Nc-e кт , Pi=Nv-e kr . (2.9)
Приравняв правые и левые части (2.9), можно найти равенство
Nc -е кт =Ne-e кт ,
из которого легко найти уровень Ферми в собственном полупроводнике
(считая Nc я Nv):
Wc + Wv kTlnNVr Wc + Wv
F 2 2 Nc 2
(2.Ю)
Уровень WF в собственном полупроводнике находится на середине за-
ЛП7
прещеннои зоны O.W на расстоянии -у- от зоны проводимости и от ва-
лентной зоны (рис. 2.1,а; 2.2).
WI
W
Wc
Wu
Зона
проводимости
©@©0
AWa
Wc
Зона
проводимости
вал. зона
б
Рис. 2.1
i-t
0000
вал. зона
AWa
©
%
0
28
Тогда концентрации собственных носителей при заданной темпера-
туре могут быть записаны как функции ширины запрещенной зоны:
ду ДУ
ni = Nc-e2kT, p,=ND-e2kT, (2.11)
из которых могут быть получены упоминавшиеся ранее концентрации соб-
ственных носителей:
и, = pj = 2,5 • 1013 см - для Ge,
и, = Pj = 2,1 • 1010 см -3 - для Si.
Перемножая правые части (2.5), (2.7) и (2.9), можно убедиться в
справедливости (1.2) и (1.4). Из (2.11) также очевидна зависимость концен-
траций и, и р, от температуры, обусловленная, в основном, экспонентой
(кроме показателя степени температура входит еще сомножителем Г3/2 в
коэффициенты Nv, Nc).
2.5. Примесный полупроводник. Смещение уровня Ферми
Для полупроводника и-типа отрицательный заряд обусловлен свб-
бодными электронами, положительный заряд - ионами донора Уд . В со-
ответствии с (1.1) зарядом собственных дырок р, можно пренебречь. Элек-
трическая нейтральность при рабочих температурах обусловлена равенст-
вом концентраций электронов п„ и атомов донора Уд (при температуре
около 300 К все атомы донора ионизированы, т.е. Уд = Уд):
Ид — Уд.
С одной стороны, концентрацию и„ можно определить из (2.5), обо-
значив уровень Ферми для полупроводника и-типа как Wр:
29
Wr_-W"F
nn=Nc'e kT
Подставив найденное значение n„ в предыдущее равенство, можно
найти, что уровень Ферми Wp для' невырожденного полупроводника
и-типа (концентрация доноров Na не превышает эффективной плотности
состояний N„ равной примерно 5-1019 см'3) находится ниже дна зоны про-
водимости Wc [2]. С другой стороны, найдя значение коэффициента^ из
(2.6), можно концентрацию электронов п„ выразить через концентрацию и
уровень Ферми собственного полупроводника и„ W" :
Wp -w'r
nn-ni-e кт (2.12)
Затем можно найти положение уровня Ферми Wр относительно середины
запрещенной зоны Wр :
IV р = Wp +кТ ln^-. (2.13)
n;
Пример 2.1.
Найти смещение уровня Ферми Дер", если NA = 2,5-1016 см 3.
Согласно (2.13)
= ^ = ^1п^ = 0,025.1п103 = 0,17 В.
q q 2,5 10й
Уровень Ферми в электронном полупроводнике смещается от середины
запрещенной зоны вверх на &Wn =к-Т In—. Это смещение тем больше,
ni
чем больше концентрация электронов пп. Значит, уровень Ферми Wр рас-
положен между нижним краем зоны проводимости Wc (точнее, между до-
норным уровнем примеси, или примесным уровнем донора) и серединой
запрещенной зоны W‘F, как показано на рис. 2.1,6; 2.3.
Аналогично тому, как были получены равенства (2.12), (2.13), для
полупроводника р,-типа можно найти равенства:
рр=п,-е кт > (2.14)
-1п^. (2.15)
Р,
30
Рис. 2.3
Уровень Ферми W £ в дырочном полупроводнике смещается вниз от
р
середины запрещенной зоны на величину ДИ7/ = кТ In—Для невырож-
Р,
денного полупроводника (Уа < 7V„) уровень Wр находится между верхним
краем Wu валентной зоны (точнее, между акцепторным уровнем примеси,
или примесным уровнем акцептора) и серединой запрещенной зоны W/•,
как показано на рис. 2.1,в; 2.4.
31
Глава 3.
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ
ПЕРЕХОД
В полупроводниковых приборах, в том числе в микросхемах, глав-
ную роль играют электрические переходы.
Электрическим переходом в полупроводниках называют границу
между двумя областями с резко различными физическими свойствами (ти-
пом проводимости, величиной проводимости и др.) и прилегающими к
этой границе тончайшими слоями полупроводника. Возможны несколько
видов электрических переходов.
Электронно-дырочные (или р-п переходы) - это переходы между
двумя областями полупроводника с различными типами проводимости (р-
и л-тип).
Электронно-электронные (п+-п переходы) или дырочно-дырочные
(р+-р переходы) - это переходы между двумя областями с одинаковым
типом проводимости (р- или и-тип), но с сильно различающимися концен-
трациями примеси (основных носителей), следовательно, с разной величи-
ной проводимости.
Переходы металл-полупроводник - это переходы, в которых одна из
областей является металлом.
Гетеропереходы - это переходы между двумя полупроводниками,
имеющими различную ширину запрещенной зоны &W.
Электрические переходы нельзя получить путем механического кон-
такта двух областей с разными физическими свойствами из-за того, что
поверхности кристаллов загрязнены оксидами и атомами других веществ.
Препятствием является и воздушный зазор, который не удается полностью
устранить при механическом контакте. Наиболее существенную роль в
электронике играют электронно-дырочные переходы, меньшую - кон-
такт металл-полупроводник. Они подробно будут рассмотрены далее.
3.1. Образование и свойства р-п перехода
Электронно-дырочным переходом (или р-п переходом) называют
границу между электронной и дырочной областями в кристалле полупро-
водника с прилегающими неравновесными слоями. Кристаллическая
32
структура на границе электронной и дырочной областей не должна быть
нарушенной. Это означает, что р-п переход нельзя получить механическим
соединением пластинок р- и и-типа. Граница раздела проводимостей р- и
и-типа должна быть получена в едином кристалле (некоторые широко рас-
пространенные технологические способы получения р- и и-областей в од-
ном кристалле будут кратко рассмотрены в одном из последующих разде-
лов). Электронно-дырочные переходы составляют основу всех полупро-
водниковых приборов. Поэтому понимание физических основ образования
р-п переходов и их свойств является необходимой предпосылкой успешно-
го изучения и применения полупроводниковых приборов. Без р-п перехо-
да немыслимы электронные приборы.
Физические процессы при образовании р-п перехода довольно слож-
ны. Однако далеко не все они имеют
решающее значение. Поэтому при рас-
смотрении учитывают только главные
процессы. С учетом ряда упрощений
образование р-п перехода может быть
объяснено сравнительно просто [2].
Пусть в едином кристалле германия
получена резкая граница а между об-
ластями р- и и-типа, как показано на
рис. 3.1 (границу а называют метал-
лургическим переходом). В области р
дырки с концентрацией рр являются
основными, а электроны пр - неоснов-
ными носителями. В л-области основ-
ными носителями являются электроны
с концентрацией пп, неосновными -
дырки р„. На границе а образовалась
резкая разница в концентрациях дырок
рр»рп и электронов п„»пр, т.е.
имеет место градиент концентрации
свободных носителей.
Пример 3.1.
Пусть Na = jVa =1016 см ’3 (симметричный переход). Определить раз-
ность концентраций Ал, Др на границе перехода.
Решение.
Примем и, =р, = 1013 см ’3.
1. Согласно (1.3) рр = ^=1016см’3,
п _Л2 _(10’3)2 -1П>о -з
согласно (1.2) Рп ~ ~см .
Др=рр-р„= Ю'°-(106- 1) = 999999-Ю10« 1016 см’3.
33
2. Согласно (1.1) л„ = 1016 см 3,
_«?_(Ю,3)2~1010 3
согласно (1.4) пр - — - ,„16 = 1 и см .
п„ 10
Ди = п„- пр — 1018-(10б- 1) = 999999-Ю10 « 1016 см “3.
Разность концентраций Ди и Др огромна.
Дырки из приграничного слоя области р под воздействием градиента
концентрации диффундируют в область п (для выравнивания концентра-
ции по всему объему, необходимого при термодинамическом равновесии).
В результате диффузионного перехода дырок (имеющих положительный
заряд) из области р в область п нарушается электрическая нейтральность
областей р и п. Слева, в приграничном слое области р, остаются неском-
пенсированные отрицательные заряды ионов акцептора, находящиеся в уз-
лах решетки и образующие неподвижный объемный отрицательный заряд.
Справа от границы а, в приграничном слое области п, пришедшие из об-
ласти р дырки рекомбинируют с электронами, оставляя нескомпенсирован-
ные положительные заряды ионов донора. Эти ионы находятся в узлах ре-
шетки и все вместе образуют неподвижный объемный положительный за-
ряд.
Точно так же под воздействием градиента концентрации электроны
диффундируют справа, из приграничного слоя области п, налево, в область
р. Уходя из области п, электроны оставляют нескомпенсированные поло-
жительные заряды ионов донора, а в области р пришедшие электроны ре-
комбинируют с дырками и «обнажают» отрицательные ионы акцептора,
Т.е. диффузия электронов тоже является причиной появления положитель-
ного объемного заряда в области п и отрицательного в области р. Резуль-
тирующие объемные заряды обусловлены совместно диффузией дырок и
электронов. Нескомпенсированные (неподвижные) объемные заряды соз-
дают внутреннее электрическое поле £, (градиент потенциала), направлен-
ное от области п в область р. Сила воздействия поля Et на электрические
даряды дырок и электронов противоположна силам диффузии и препятст-
вует дальнейшей диффузии. Таким образом, выравнивание концентрации
дырок и электронов по всему объему не происходит. Процесс заканчива-
ется установлением динамического равновесия, при котором силы диф-
фузии уравновешены встречными силами внутреннего электрического по-
ля. При этом из приграничных слоев р- и «-областей ушли подвижные но-
сители (возник обедненный слой), а между областями р и п образовалась
разность потенциалов ф0, называемая потенциальным барьером. В новой
системе (p-область, р-п переход, «-область) вследствие термодинамическо-
'•го равновесия устанавливается общий для всей системы уровень Ферми
WF, на котором выравниваются уровни областей WF и Wp (см. рис. 3.2).
узкая обедненная область (шириной й0) с объемными зарядами и потенци-
34
альным барьером <р0, включающая в себя приграничные слои р- и «-облас-
тей, называется электронно-дырочным переходом или р-п переходом. Ши-
рина р-п перехода измеряется микрометрами и долями микрометра [2]. В
области р-п перехода полупроводник неоднородный, а концентрация не-
равновесная. Например, в «-области концентрация основных носителей -
электронов - изменяется от минимальной на границе а (равной «,) до рав-
новесной «„ на границе перехода с равновесной «-областью. В соответст-
вии с (2.13) изменяется положение уровня Ферми на протяжении перехода
от Wp (на границе а) до Wp (на границе перехода с равновесной «-об-
ластью). Так как уровень Ферми WF системы постоянен, то искривляются
энергетические уровни (зоны) в «-области вверх на величину &Wp (рис.
3.2). Аналогично в соответствии с (2.15) изменяется положение уровня
Ферми в левой половине р-п перехода от Wp (на границе а) до Wfi (на
границе перехода с равновесной p-областью) и искривляются энергетиче-
ские уровни (зоны) в/з-области вниз на величину \Wp . В областир точно
так же, как и в области п, за исключением приграничного слоя, входящего
в р-п переход, условия остались неизменными: концентрация равновесная,
полупроводник однородный.
3.1.1. Виды р-и переходов
Переходы, в которых концентрация носителей на границе реп слоев
(dp d« ")
изменяется скачком = оо, или — = со , называют ступенчатыми. Все
(dr dr )
остальные переходы, у которых градиент концентрации носителей на гра-
нице конечен (но достаточно велик), называют плавными. Для анализа, как
правило, выбираются ступенчатые переходы (анализ их проще), хотя на
практике они являются известным приближением. Если градиент концен-
трации на границе слоев мал, то имеет место лишь неоднородный полу-
проводник (не р-п переход).
Если концентрации основных носителей в р- и «-областях почти
одинаковы:
Рр я‘п„,
то переход называют симметричным. На рис. 3.1 изображен условно сту-
пенчатый симметричный переход. Большее распространение имеют не-
симметричные переходы, в которых выполняется неравенство рр » «„ или
пп»рр. В случае, если концентрации основных носителей различаются
более чем на порядок, переходы называют односторонними [2] и обычно
обозначают р+ -п (или п+ - р).
35
3.1.2. Потенциальный барьер
Нетрудно установить, что силы диффузии определяются величиной
градиента концентрации, т.е. разностью концентраций носителей одного
типа по разные стороны границы (см. рис. 3.1). Значит, величина потенци-
ального барьера ср0, уравновешивающая диффузию, также определяется
разностью концентраций носителей одного знака в областях рип. Количе-
ственно величина фо легко находится из условия термодинамического рав-
новесия всего кристалла, при котором уровень Ферми является общим для
р- и и-областей, как показано на рис. 3.2.
(р)
Зона
проводимости
. — — Зона — •—
проводимости
© ё ©~^
".-li’?/___
ДЖ
иг
ж;=жг
Wu
п
Wc “
к»
7 аж/
^_©_©_©_©_©_
— Зона'' —
I
а
Валентная
Зоне
Рис. 3.2
Однако уровень Ферми Wp в области р и уровень Ферми Wp в об-
ласти п сохраняют свое положение, определяемое концентрацией примеси
согласно (2.13) и (2.15). Поэтому энергетические зоны равновесных облас-
тей германия смещаются на величину АРГо, которую теперь необходимо
преодолеть носителям, чтобы перейти из одной области в другую. Величи-
на ДИо, равная сумме смещений уровней Фермир- и и-областей от середи-
ны запрещенной зоны (ди^ = АРК/ + Д1К/?}, может быть определена из
(2.13) и (2.15):
Д^о=фо9 = ДИл;+Д1К/=11Г-In^^-. (3.1')
niPi
Используя равенства (1.2) и (1.4), а также переходя от разности энер-
гий ДЯо к разности потенциалов ф0 (величине потенциального барьера),
можно получить распространенное выражение для ф0:
И Рп
Фо =<Рт 'In—= Фт -In—, (3.1)
> Пр Рп
36
где <pT =- называют температурным потенциалом. Для комнатной тем-
Ч
пературы <рт составляет 25 мВ, что необходимо хорошо помнить. Для рас-
пространенного несимметричного германиевого р-п перехода с
рр = 0,01 Ом-см (рр = 3,68•1017см-3, =1,7-109см-3) ир„= 1 Ом-см (ил «
«1,75 -1015 см-3, рп «3,57-101'см-3), <р0 = 0,35 В при Г= 300 К. Максималь-
ное значение фотах, определяемое шириной запрещенной зоны ДИ7 и пре-
дельной концентрацией примеси (вырождением), составляет для германия
0,7 В, для кремния 1,1В. Практически в германиевых переходах <ро не пре-
вышает 0,5 В, а в кремниевых - 0,7 В [2]. Величина потенциального барье-
ра (ро во многом определяет работу полупроводниковых приборов, поэтому
величину фо, как и ф т, нужно всегда хорошо знать.
3.1.3. Токи р-п перехода в равновесии
Как уже указывалось, в равновесии (без внешнего смещения) силы
диффузии уравновешены силами внутреннего электрического поля и ре-
зультирующий ток 1а через переход равен нулю. Однако через р-п переход
при этом происходит незначительное движение носителей, обусловли-
вающее протекание двух встречных токов малой величины: теплового (или
обратного) Iq и диффузионного /Одиф.
Тепловой ток 10 обусловлен тепловой генерацией собственных но-
сителей, которая происходит всегда во всем объеме полупроводника с ин-
тенсивностью, определяемой температурой. Поэтому и ток называют теп-
ловым. Собственные носители, появляющиеся в самом р-п переходе и
вблизи от него по обе стороны (рис. 3.3), и создают ток 1$.
Рис. 3.3
37
Собственные дырка и электрон, появившиеся в р-п переходе (на рис.
3.3 обозначены ®и ©), сразу попадают под действие сил внутреннего по-
ля £,, и дырка выбрасывается полем £, в область р, электрон - в область п.
Эту составляющую теплового тока называют током термогенерации. Соб-
ственные дырки, появившиеся в области п вблизи от перехода, в результа-
те теплового движения могут попасть на границу р-п перехода, где подхва-
тываются полем £, и выбрасываются через переход в область р. В резуль-
тате такого движения в области и на границе с переходом устанавливается
концентрация неосновных носителей, равная нулю. Таким образом, у гра-
ницы «-области с переходом появляется градиент концентрации дырок
(dp„/dx), под воздействием которого дырки из «-области в пределах Lp от
перехода уходят через переход, создавая дырочную составляющую 70р об-
ратного тока, как показано на рис. 3.3. Эта составляющая теплового тока
считается собственно тепловым током. Интенсивность движения дырок
(т.е. плотность дырочной составляющей Л>р полного тока 7о) определяется
скоростью генерации собственных дырок в «-области вблизи перехода (в
пределах £р). Согласно теории, величина Iqp определяется скоростью гене-
рации дырок в прилегающей «-области от границы перехода до Lp.
Точно также возникает электронная составляющая полного тока /о
в областир. Полный ток /о равен сумме составляющих:
То = Тар + 7о„.
Количественно 10,10р, 10п будут найдены далее в разделе 3.2, формула
(3.8). Диффузионный ток /ОдИф протекает навстречу тепловому току 10 и ра-
вен ему по величине. Он является следствием протекания теплового тока
10. Например, дырочная составляющая 10р теплового тока обусловливает
приток дырок из «-области в приграничный слой p-области, которые
уменьшают отрицательный объемный заряд и немного понижают потенци-
альный барьер. Так же действует и поток «тепловых» электронов через р-п
переход. В результате потенциальный барьер фо устанавливается такой ве-
личины, что часть «быстрых» дырок и электронов преодолевает его, обу-
словливая диффузионный ток /одиф- В равновесии устанавливается равенст-
водстречных потоков (/о = -ТоДИф), так как неравенство потоков ведет к из-
менению объемных зарядов и изменению потенциального барьера в сторо-
ну выравнивания потоков. Результирующий ток 1а через р-п переход в рав-
новесии равен нулю.
3.1.4. Электронно-дырочный переход
при внешнем смещении
При подключении к р-п переходу внешнего напряжения Ua (назы-
ваемого внешним смещением) равновесие потоков носителей через пере-
ход нарушается и результирующий ток 1а через переход уже не равен ну-
38
лю. При подключении к р-п переходу внешнего напряжения Ua все это На-
пряжение оказывается приложенным к р-п переходу, так как в области пе-
рехода нет подвижных носителей и сопротивление перехода велико. Рав-
новесные же р- и «-области низкоомны, и для протекания тока через них
соответствии с (1.5) требуется ничтожное падение напряжения на этих об-
ластях. Поэтому считают, что все внешнее напряжение Ua приложено к р-г
переходу при любой полярности. В зависимости от полярности внешне!»
смещения Ua различают обратное и прямое направления, резко различаю
щиеся между собой.
а б
Рис. 3.4
Обратное направление. Если внешнее напряжение Ua подключить
плюсом к «-области, а минусом - к p-области (рис. 3.4, а), то поле внешне-
го источника Есм в переходе будет совпадать по направлению с внутрен-
ним полем Еи а потенциальный барьер ср на переходе будет равен сумме
внутреннего потенциального барьера <р0 и внешнего смещения Ua\ <р = <р0 +
+ Ua. Величина Ua может во много раз превышать величину ф0 и достигать
нескольких тысяч вольт. Но уже при величине Ua в несколько фт (ф0 =
= 0,025 В) потенциальный барьер увеличивается настолько, что даже «са-
мые быстрые» дырки и электроны не могут его преодолевать, и диффузи-
онный поток дырок и электронов прекращается (исчезает диффузионная
составляющая /одиф)- Условия же для образования и протекания теплового
тока /о при этом не изменяются, а ток термогенерации несколько увеличи-
вается из-за увеличения ширины h. Значит, через переход в обратном на-
правлении будет протекать результирующий ток 1а, превышающий немно-
го 10:
39
Любр — Л>-
Такое направление внешнего смещения называют обратным или не-
цроводящим, а ток перехода - обратным током 4юбр- Величина очень ма-
да (измеряется микроамперами и долями микроампера), что позволяет
приравнивать к нулю обратный ток перехода (1аОбР= 0). Итак, в обратном
направлении через р-п переход протекает ничтожно малый ток при высо-
|рм обратном напряжении. Поэтому обратно смещенный р-п переход
можно представить разомкнутыми контактами ключа (ключ отключен),
Хго часто используют на практике.
Ширина р-п перехода h при обратном смещении увеличивается по
отношению к равновесной ширину hp.
, Прямое направление. Инжекция носителей. Если внешнее напря-
$ение Ua подключить плюсом к ^-области, а минусом - к «-области, как
показано на рис. 3.4,6, то поле внешнего источника Ет в переходе (Ua це-
ликом приложено к р-п переходу) будет направлено против внутреннего
Поля Ej перехода (сила электрического поля, препятствующая диффузии,
будет ослаблена). Потенциальный барьер <р на переходе будет уменьшен
на величину смещения t/a:
Ф = Фо ~иа-
Через переход с пониженным потенциальным барьером резко уве-
личится диффузионный поток дырок в «-область и электронов в р-область;
т.е. резко возрастет диффузионный ток 70диф через переход. Ниже будет по-
казано, что ток будет возрастать по экспоненте в функции от Ua. Такое на-
правление внешнего смещения называют прямым или проводящим, а ток
перехода - прямым током 1а. Поскольку потенциальный барьер в переходе
остается (он будет только понижен), то условия для прохождения теплово-
го тока 10 остаются неизменными, только уменьшается ток термогенерации
и прямой ток будет равен разности токов диффузии 7ДИф и теплового 10:
^апр /лиф ~ Не-
прямой ток на несколько порядков превышает обратный ток и мо-
жет достигать величин от сотен миллиампер до сотен и даже тысяч ам-
пер.
Напряжение же прямого смещения всегда меньше внутреннего по-
тенциального барьера фо. Необходимо хорошо уяснить, что внешнее на-
пряжение Ua только понижает потенциальный барьер фо- При этом потен-
циальный барьер никогда не может быть уменьшен до нуля (согласно
теории градиент концентрации носителей в резком переходе при отсутст-
вии фо обусловил бы плотность тока около 20 000 А/мс2. Поэтому переход
разрушился бы еще до исчезновения потенциального барьера). Это означа-
ет, что величина Ua в прямом направлении не превышает нескольких деся-
40
тых долей вольта (< 0,5 В - Ge, < 1 В - Si), что позволяет на практике час-
то приравнивать его к нулю, например по сравнению с сотней вольт в об-
ратном направлении. Итак, в прямом направлении через р-п переход про-
текает большой ток при очень малом (почти нулевом) напряжении. Поэто-
му прямосмещенный р-п переход можно представить замкнутыми контак-
тами ключа (включен ключ), что часто используется на практике.
Дырки, перешедшие через пониженный потенциальный барьер в
«-область, увеличивают концентрацию неосновных носителей р„ (сверх
равновесной) на границе «-области с р-п переходом, т.е. имеют место воз-
мущения неосновных носителей. Процесс введения неосновных носителей
через пониженный потенциальный барьер называют инжекцией (впрыски-
ванием), а неравновесные носители, появившиеся в результате инжекции,
именуют инжектированными носителями. Точно также электроны инжек-
тируются из «-области в p-область, где они тоже являются неосновными
носителями.
Ширина р-п перехода h при прямом смещении уменьшается по срав-
нению с равновесной шириной hg, но это явление не играет существенной
роли. В несимметричных переходах, например при рр » пт область с бо-
лее высокой концентрацией (p-область) называют эмиттером, а область с
меньшей концентрацией - базой.
3.2. Вольт-амперная характеристика р-п перехода
Теоретическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-п перехода
находится при решении уравнения
непрерывности [2], описывающего
закон движения инжектированных
неосновных носителей, например
дырок в «-области, в направлении от
границы в глубь области. Однако
вольт-амперную характеристику
можно получить сравнительно про-
сто, определяя величину тока толь-
ко на границе р-п перехода (легко
найти dp/dx| 0), как это показано
ниже.
На рис. 3.5 схематично приве-
дена «-область с р-п переходом
(принято, что ширина перехода Ло =
= 0). При прямом смещении в
«-область инжектируются дырки и
увеличивают на границе с р-п пере-
ходом концентрацию дырок от рав-
41
новесной р„ до возмущенной р,л на величину Лр„. Таким образом, в «-об-
ласти на границе с переходом имеет место процесс возмущения неоснов-
ных носителей, рассмотренный в п. 1.5 и показанный на рис. 1.6,а. Под
действием градиента концентрации возникает диффузионный поток дырок
в глубь «-области от р-п перехода. Плотность полного тока в любом сече-
нии «-области определяется равенством (1.9). Однако на границе (х = 0)
дрейфовая составляющая равна нулю и ток является полностью диффузи-
онным. Дырочная составляющая диффузионного тока на границе перехода
согласно (1.8) определяется выражением
(3.2)
Градиент концентрации на границе перехода может быть определен
через избыточную концентрацию Др„ на границе и среднюю длину диффу-
зии дырок Lp (см. рис. 3.5):
d*A=o
Lp
PnO ~ Рп
LP
(3.3)
Граничную концентрацию р„й можно найти из равенства (3.1), рас-
пространенного на неравновесную концентрацию р„й, с учетом результи-
рующего потенциального барьера <р = <р 0 - Ua'.
т, 1 Рр
Ф = Фо-U а =ФТ 'In—2—,
РпО
из которого с учетом (3.1) можно найти
_Ф0 иа Уд
Рм=Рр-е Фт •еФт = р„-е<?т . (3.4)
Равенство (3.4), устанавливающее граничную концентрацию инжек-
тированных дырок, является важнейшим в теории полупроводников. Более
строгая теория дает такой же результат [2]. Используя (3.4) и (3.3), можно
найти
2/>диф|х=0 Jp\x=0
4DpP” еф7_!
(3.5)
Точно так же, используя равенства (3.2), (3.3) и (3.4) для потока ин-
жектированных электронов в p-области, можно определить плотность
электронной составляющей диффузионного тока:
42
7лдиф|х=0 7h|x=0
^пР pv.
л
-1
7
(3.6)
Вольт-амперная характеристика р-п перехода, представляющая со-
бой зависимость плотности полного тока на границе перехода от напря-
жения смещения, может быть получена из (3.5), (3.6) и (1.8):
( и.
fa 7рдиф + 7лдиф 7 О
-1 ,
(3.7)
где
. . u . QDpp„ qD„np
Ja-JpO+ JnO - —--+ —----
Lp Ln
(3-8)
На практике для реальных полупроводниковых приборов (которые
рассматриваются позднее) используют вольт-амперную характеристику
для полного тока черезр-п переход:
Уд
еЧ>т
-1 ,
(3.9)
где Iа = ja'S, I0=j0-S; S - площадь перехода.
Допустимая плотность тока ja для германиевых переходов составляет
20-40 А/см2, для кремниевых - 40-60 А/см2. Площади же могут быть в
пределах от долей мм2 до 100 см2.
Зависимость (3.7) справедлива и для обратного смещения, т.е. отри-
цательного Uа (все приведенные выше рассуждения справедливы и для об-
ратного смещения, только возмущение в «-области на границе будет отри-
цательным, рпо <рп). На рис. 3.6 приведен график характеристики (3.9).
Соотношение (3.9) тоже является одним из важнейших в теории по-
лупроводников. В этом соотношении количественно отражены все те про-
цессы, о которых упоминалось выше. Например, в равновесии (Ua = 0) ре-
зультирующий ток равен нулю, но его составляющие +70 и -/о порознь не
равны нулю и являются тепловым (-/о) и диффузионным (+/0) токами в
равновесном переходе. Качественно тепловой ток 1$ был рассмотрен в
пункте 3.1.3. Диффузионный ток является следствием теплового и всегда
равен ему по величине и противоположен по направлению. Количественно
величина теплового тока определяется выражением (3.8).
Пример 3,2.
Найти величину /0 Для несимметричного германиевого перехода
(распространенный случай) при Т= 300 К.
Данные:
43
/>р=10нсм 3 (пр = 1015см~3), Dp = 45 см2/с, £)„ =100см/с,
ир=109см3 (рр = 1017см-3), т = 5мкс, Lp= 0,015 см.
Решение:
i0=JQs=?-f
— = 500 мкА/см2 = 5 мкА/мм2.
Указанная выше величина 10 для Si на 3-4 порядка меньше.
У современных интегральных кремниевых транзисторов с площадью
перехода не более 2 • 10 "5 см2 типовое значение теплового тока теоретиче-
ски находится на уровне 10 « 10“15 А [1].
Тепловой ток 1а сильно зависит от температуры:
AH' ф3
= =(/о)о-еФт. (3.10)
где ф3 =----ширина запрещенной зоны в масштабе потенциалов (на-
пряжений);
(70 )0 - тепловой ток при заданной (комнатной) температуре.
Соотношение (3.10) получено из (2.11) с учетом (1.2) или (1.3).
При прямом смещении диффузионный ток, определяемый экспонен-
циальным членом, быстро возрастает уже при малых Ua. Например, при
44
Ua = +0,1 В (T = 300 К, срт = 25 мВ) ток через переход уже возрастет до
54 /о, а при Utt = +0,2 В - уже до 298010.
При обратном смещении экспоненциальный член в (3.9) уже при
Uа = —4фт(0,1 В) близок к нулю и ток через переход становится равным
-10, т.е. остается только обратный тепловой ток.
При сильном увеличении обратного напряжения С/ОбР происходит
резкое увеличение обратного тока 70бР (пунктир на рис. 3.6), не вытекаю-
щее из теоретической ВАХ (3.9). Это явление называют пробоемр-п пере-
хода.
3.2.1. Пробой р-п перехода
Процессы, происходящие в р-п переходе при пробое, довольно слож
ны [3]. Далее приводится упрощенное рассмотрение явления пробоя.
Пробой характеризуется напряжением пробоя С/про (рис. 3.7), которое
на практике определяется при достижении обратным током заданной вели
чины /зад:
Пробой р-п перехода (величина (7про) существенно ограничивав-
практические возможности р-п перехода из-за ограничения величины ос-
ратного напряжения.
45
В зависимости от физических явлений в переходе, приводящих к
пробою, различают электрический и тепловой пробой. Электрический
пробой подразделяют на лавинный и туннельный (зенеровский).
Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей
тока в р-п переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми
электронами и дырками. Кратко это происходит так. Неосновные носители
тока (дырки р„ и электроны пр), поступающие в р-п переход при протека-
нии обратного тока 7^, ускоряются на длине свободного пробега X (между
соударениями) полем Е настолько, что при соударении с атомами ионизи-
руют их. При каждой ионизации появляется дополнительная пара носите-
лей тока (электрон-дырка). Например, поступивший из p-области в пере-
ход h электрон 1 после пробега А ионизирует атом А1. Появляются новые
электрон 2 и дырка 1 (рис. 3.8,а). Электрон 7 продолжает свой путь в п-
область, обусловливая перенос единичного заряда (q) через переход h. Но-
вые электрон 2 и дырка 1 тоже обусловливают перенос единичного заряда
(q) через переход, т.к. уход дырки 7 из перехода в p-область означает при-
ход в переход из p-области одного (ковалентного) электрона. Итак, каждая
ионизация дает дополнительный перенос единичного заряда (д) через пе-
реход. Появившаяся новая пара (электрон 2, дырка 7) может вызвать иони-
зацию новых атомов, например ионизацию атома А2 (см. рис. 3.8,а) дыр-
кой 7.
Рис. 3.8
В результате ионизации атома А2 появляется еще новая пара - дырка
2, электрон 3 и т.д., при достаточно сильном поле Е ударная ионизация
развивается лавинообразно. Также лавинообразно увеличивается обратный
ток. Количественно этот процесс характеризуется коэффициентом лавин-
ного размножения М:
46
7про -Л^обр»
который показывает, во сколько раз увеличивается ток через р-п переход
при начавшейся ударной ионизации. Напряжение t/o6p, при котором М не-
ограниченно возрастает (М= оо), формально является напряжением пробоя.
Но, как уже указывалось, на практике (7пр0 определяется при достижении
обратным током заданной величины 7зад (см. рис. 3.7). Напряжение лавин-
ного пробоя ил (1/пр0) превышает 6 В (точнее 5,7 В). Лавинный пробой раз-
вивается в широких р-п переходах, в которых на ширине h укладывается
несколько X, т.е. возможна многократная ударная ионизация. Такие пере-
ходы образуются в высокоомных (слаболегированных) полупроводниках.
Кривая 1 на рис. 3.7 соответствует электрическому пробою (лавинному -
(7про = Un и туннельному - 7/про = Uz) при нормальной температуре Т. При
повышении температуры (до 7) > Г) напряжение лавинного пробоя увели-
чивается (Un, кривая Г).
Туннельный (зенеровский) пробой обусловлен туннельным эффек-
том, под которым понимают квантово-механическое «просачивание» элек-
тронов сквозь узкий потенциальный барьер, высота которого значительно
превышает их энергию, без изменения энергии «просачивающихся» элек-
тронов. Туннелирование (просачивание) обусловливается волновыми
свойствами электронов. В случае пробоя потенциальным барьером являет-
ся ширина запрещенной зоны A W или соответствующий ей потенциальный
барьер <рз = &W/q (см. рис. 3.8,а). Электроны туннелируют из валентной
зоны p-области в зону проводимости «-области. При туннелировании элек-
троны проходят сквозь барьер. ср3 по горизонтали, как бы через туннель в
барьере. На рис. 3.8,6 показаны зонные диаграммыр- и «-областей перехо-
да, поясняющие туннельный механизм пробоя. Зоны р- и «-областей, уров-
ни Ферми W? (p-области) и Wp («-области) смещаются на величину <р0 +
+ f7o6p ~ Ц,6р (U = W/q). Заполненные электронами энергетические уровни
валентной зоны p-области оказались на одном уровне со свободными от
электронов энергетическими уровнями зоны проводимости «-области. Это
- необходимое условие туннелирования электронов из валентной зоны
p-области в зону проводимости, т.е. для туннелирования электрона должно
быть «свободное» место на таком же энергетическом уровне в зоне прово-
димости. Ширина d потенциального барьера между валентной зоной и зо-
ной проводимости и напряженность поля Е в переходе определяются вели-
чиной обратного напряжения Uo5v. Туннельный эффект (точнее - вероят-
ность туннельного перехода) резко возрастает при критической напряжен-
ности поля Екр > 105 В/см, которая достигается при обратном напряжении
пробоя (L/обр= «7про)- Более подробно туннельный эффект будет рассмотрен
в разделе 4.2.5. При напряжении [70бР > t/npo величина туннельного тока
очень сильно зависит от обратного напряжения и внешне туннельный эф-
фект проявляется как пробой р-п перехода. Отсюда и название - туннель-
47
ный пробой. Его называют еще пробоем Зенера (по фамилии ученого
Zener). Напряжение туннельного (зенеровского) пробоя Uz определяют на
уровне десятикратного увеличения обратного тока [2], т.е. = 10 1^. В
классической механике туннельный пробой можно объяснить как отрыв
электронов из ковалентных связей электрическим полем. Тогда он выгля-
дит аналогично лавинному пробою, только дополнительные носители про-
являются «сами собой» (без соударения). Туннельный пробой происходит
в тонких р-п переходах, в которых не выполняются условия лавинного
размножения. Такие переходы образуются в низкоомных (сильнолегиро-
ванных) полупроводниках. Напряжение туннельного пробоя Uz не превы-
шает 5 В (точнее 5,7 В). При увеличении температуры до ТУ напряжение
туннельного пробоя уменьшается (Uz < t/np0, кривая 1" на рис. 3.7). Лавин-
ный и туннельный пробой обратимы.
Тепловой пробой обусловлен саморазогревом перехода при протека-
нии через него обратного тока. В переходе при этом выделяется мощность
рассеивания Р^:
Р рас ^Дбр’Дер,
которая превращается в теплоту, нагревает переход и рассеивается в окру-
жающую среду. Тепловой расчет переходов (в том числе диодов) рассмат-
ривается в подразделе 4.2.2.
При повышении температуры перехода резко увеличивается обрат-
ный ток /обр (см. (3.10)), следовательно, возрастает мощность рассеивания
Ррк в переходе в соответствии с (3.10). Увеличение Ррас ведет к новому по-
вышению температуры перехода, новому росту обратного тока, т.е. всту-
пает в действие электротермическая обратная связь, которая и может при-
вести к тепловому пробою и появлению участка обратной ветви ВАХ, на
котором при росте тока пробоя обратное напряжение уменьшается (кривая
2 на рис. 3.7). Напряжение теплового пробоя UT может быть меньше на-
пряжения электрического пробоя (как показано на рис. 3.7), что характерно
дм германиевых р-п переходов с большим обратным током 1^. У крем-
ниевых р-п переходов обратный ток на несколько порядков меньше и на-
пряжение теплового пробоя кремниевых р-п переходов существенно
больше электрического. Для кремниевых р-п переходов электрический
пробой перерастает в тепловой (кривая 2' на рис. 3.7).
Тепловой пробой в реальных р-п переходах (диодах) может происхо-
дить с образованием «шнура» (канала высокой проводимости), температу-
ра в котором выше, чем в остальной части перехода. Образование «шнура»
может быть вызвано либо дефектами в реальном р-п переходе, либо флук-
туацией плотности обратного тока по площади р-п перехода. Образование
«шнура» уменьшает напряжение UT теплового пробоя.
48
3.2.2 Влияние температуры на характеристику
и свойства р-п перехода
Основное влияние температуры на вольт-амперную характеристику
обусловлено сильной зависимостью концентрации неосновных носителей
примесного полупроводника. Это вытекает из равенств (2.11) и (1.2), (1.4).
В результате этого влияния при повышении температуры перехода изме-
няются прямая и обратная ветви характеристики, как показано на рис. 3.9.
При обратном смещении (обратная ветвь) резко увеличивается об-
ратный ток р-п перехода. Из (3.8) следует, что эта зависимость экспонен-
циальна. Практически для определения тока 1$ при повышенной темпера-
туре /2 перехода используется приближенная формула:
t2 -20'
/о=(/о)20ос-2 10 ,
(3.11)
из которой следует, что тепловой ток увеличивается в два раза на каждые
10 градусов повышения температуры. Например, при повышении темпера-
туры от+20 до+60 °C ток Zo возрастает в 16раз,т.е. (Л))б0°с =^^о)2О«с-
Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается термогене-
рация носителей заряда (пар электрон - дырка), что, в свою очередь, при-
49
водит к дальнейшему увеличению обратного тока 70 и нагреву р-п перехо-
да.
Пример 3.3.
Напряжение пробоя при повышенной температуре перехода Т2 уве-
личивается для лавинного пробоя - t/n'po62 > Ццюбь и уменьшается для тун-
нельного пробоя - {/Проб2 < ^Лроб! (см. рис. 3.9).
Прямая ветвь при повышении температуры смещается в сторону оси
тока. При заданном напряжении Ua= U\ ток /<> увеличивается с 1\ (точка Л J
до значения 12 (точка Л2). При заданном токе 1а = Ц напряжение Ua при по-
вышении температуры уменьшается с Ui (точка А|) до U2 (точка А2). Изме-
нение прямой ветви оценивается температурным коэффициентом напря-
жения (ТКН):
ТКН (3 Л2)
r2 -Т1
Для германиевых и кремниевых р-п переходов ТКН отрицателен, ве-
личина его находится в пределах (1,2-3,0) мВ/град [2]. Однако на практике
часто принимают ТКН равным 2 мВ/град.
3.2.3. Емкость р-п перехода
При образовании р-п перехода в приграничных слоях возникают не-
подвижные объемные заряды (см. рис.3.1) и величина полного объемного
заряда изменяется при изменении приложенного к переходу напряжения
Ua (изменяется ширина перехода при постоянной объемной плотности за-
ряда, см. рис. 3.4). Следовательно, р-п переход является еще и плоским
конденсатором. Обкладками его служат прилегающие границы р- и и-обг
ластей, а диэлектриком - обедненный носителями слой р-п перехода. Эту
емкость называют барьерной С6ар (или зарядной). Величина С6ар так же, как
и ширина перехода, зависит от величины приложенного напряжения [2],
она учитывается уже на сравнительно низких частотах при обратном сме-
щении.
Из справочника обычно бывает известна величина С6аро при указан-
ном смещении Ua- Тогда величина Cgapx при любом смещении Ux находится
по формуле
Сбарх=С6ар0-^, (3.13)
где п = 2 для ступенчатых переходов, и = 3 для плавных переходов.
Кроме барьерной емкости р-п переходы характеризуются еще диф-
фузионной емкостью Сдиф, отражающей изменение величины заряда ин-
жектированных носителей в базе [1]. Величина СДИф увеличивается при
прямом смещении на очень высоких частотах. Емкости С6ар и СДИф обу-
словливают инерционность р-п перехода.
50
Глава 4.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды
4.1. Диоды
Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый при-
бор с одним р-п переходом и двумя выводами, в котором используются
свойства перехода.
4.1.1. Реальная вольт-амперная характеристика диода
На рис. 4.1,а приведена характеристика диода с одинаковым мас-
штабом по осям прямого (прямая ветвь) и обратного (обратная ветвь) сме-
щений, очень близкая к характеристике идеального вентиля (ключа). Од-
нако в связи с резким различием прямой и обратной ветвей на практике
чаще используют вольт-амперную характеристику (ВАХ) с разными мас-
штабами для прямой и обратной ветвей, как на рис. 4.1,6. Реальная харак-
теристика (сплошная линия) отличается от теоретической (пунктирная
кривая). На прямой ветви при больших токах заметным оказывается уже
падение напряжения 7а-Аобл на омических сопротивлениях областей, и об-
Тцее напряжение Ua на переходе будет больше напряжения U'a, приложен-
ного к переходу, на величину Ia-Ro6n’
Ua~Ua+Ia' Ло6л •
На обратной ветви характеристики отличие более существенно. Во-
первых, обратный ток /Обр больше 10 и, как правило, несколько возрастает с
ростом С/Овр. Одной из причин этого являются токи утечки на поверхности
кристалла, другой - наличие тока термогенерации, который не учитывался
идеальной вольт-амперной характеристикой. Для реального диода р-п пе-
реход имеет конечную ширину, поэтому процессы генерации и рекомби-
нации носителей зарядов в нем необходимо учитывать. Электрическое по-
ле, которое всегда есть в переходе, быстро уносит генерируемые носители
в соответствующий слой р-п перехода, что вызывает протекание некоторо-
го тока - тока термогенерации.
51
а б
Рис. 4.1
Во-вторых, при больших обратных напряжениях возникает пробой
р-п перехода, обусловливающий резкий рост обратного тока, не вы-
текающий из (3.9) (участок обратной ветви ВАХ после точки С (см. рис.
4.1,6).
Вентильные свойства диода выражены тем ярче, чем меньше об-
ратный ток 10 при заданном обратном напряжении t/o6p и чем меньше пря-
мое напряжение Ua при заданном прямом токе 1а. Эти два требования про-
тиворечивы. Из (3.9) видно, что изменение теплового тока, какими бы при-
чинами оно ни вызывалось, сопровождается изменением прямого напря-
жения в противоположном направлении. Это хорошо видно из рис. 3.9, где
различие 1д обусловлено разницей температур при прочих равных услови-
ях. Важным следствием этой общей зависимости является то, что прямые
напряжения у кремниевых диодов заметно больше, чем у германиевых, по-
скольку тепловой ток 1д у первых на несколько порядков меньше. Различие
В прямых напряжениях германиевых и кремниевых диодов составляет
обычно 0,3-0,4 В. Поэтому ВАХ обоих типов диодов, построенные в оди-
наковом масштабе, имеют разную форму (рис. 4.2). Для кремниевых дио-
дов ВАХ сдвинута по оси напряжений на несколько десятых долей вольта
(образуется так называемая пятка). В этой связи вводится параметр U* -
напряжение открытого перехода диода. При комнатной температуре в
нормальном режиме if = 0,7 В.
52
Если прямое напряже-
ние всего на 0,1 В меньше
напряжения U\ переход уже
может считаться запертым,
поскольку токи при таких на-
пряжениях в десятки раз
меньше номинальных. По-
этому условно можно назвать
величину (С/ - 0,1) В напря-
жением отпирания диода (по-
роговое напряжение С/пор).
Напряжение отпирания хо-
рошо видно на рис. 4.2. При
напряжениях, меньших на-
пряжения (U - 0,1) В, вплоть
до нуля, ВАХ сливается с
осью абсцисс, образуя «пят-
ку» ВАХ.
4.1.2. Параметры диода
При практическом использовании диодов, как правило, бывает дос-
таточно знать лишь координаты отдельных точек, а не всю характеристику
диода. В справочниках на диоды приводятся электрические параметры,
определяемые координатами точек на прямой и обратной ветвях.
Параметры диода, характеризующие прямую ветвь (точка А, рис.
4.1,6):
1. Znp - длительно допустимый постоянный прямой ток;
2. Uа - прямое падение напряжения на диоде при постоянном пря-
мом токе;
3. /?д - дифференциальное сопротивление диода. Оно может быть
определено из вольт-амперной характеристики по приращениям:
а также из теоретической характеристики (3.9):
d^a _ 1 ~Фт
d/a d/a I а’
wa
(4.1)
Ra для диодов используется значительно реже, чем /,1р и Ua.
53
Параметры диода, характеризующие обратную ветвь (точка В):
1 • t/обр max - допустимое обратное напряжение на диоде, при котором
не происходит пробоя даже в наихудших условиях. Оно задается с доста-
точным запасом по отношению к Г/прОб:
^обр max — ,и^проб ’ (4-2)
где т - коэффициент запаса. В зависимости от типа диода коэффициент
запаса находится в пределах 0,4-0,7 [4,5].
2. 70бр - постоянный обратный ток, протекающий через диод при по-
стоянном обраТНОМ Напряжении [/обртах-
Необходимо отметить, что приведенные выше параметры определе-
ны по статической вольт-амперной характеристике, снятой при посто-
янном токе. Для некоторых типов диодов набор параметров и способ их
задания отличаются от приведенных, на что будет указано при рассмотре-
нии некоторых разновидностей диодов.
4.2. Разновидности диодов.
Точечные и плоскостные диоды
В настоящее время выпускается много различных типов полупро-
водниковых диодов с допустимыми прямым током от единиц миллиампер
до сотен ампер и обратным напряжением от десятков вольт до нескольких
тысяч вольт. И все эти диоды выполняются на основе р-п перехода либо
выпрямляющего контакта металл - полупроводник. Однако требования к
диодам в зависимости от их назначения могут быть весьма различными,
например в одном случае требуется пропускать как можно больший пря-
мой ток (сотни ампер), в другом - необходимо очень быстрое переключе-
ние при малых токах и т.д. В связи с различием требований все диоды под-
разделяются на следующие основные группы: выпрямительные, импульс-
ные, обращенные диоды, диоды Шоттки, варикапы, туннельные, стабили-
троны. В каждой группе могут вводиться дополнительные параметры,
уточняющие свойства диода.
Ниже рассмотрены некоторые из указанных разновидностей, исполь-
зующиеся в устройствах промышленной электроники.
По способу изготовления р-п перехода диоды делятся на две боль-
шие группы - плоскостные и точечные.
Плоскостные диоды имеют плоский р-п переход с достаточно боль-
шой площадью перехода. Величиной площади перехода определяется мак-
симальный прямой ток, который для разных диодов находится в пределах
от десятков миллиампер до сотен ампер.
Обратные напряжения плоскостных диодов могут достигать тысячи
вольт и выше. В настоящее время используется несколько методов из-
54
готовления р-п переходов. Наиболее распространены сплавной и диффузи-
онный методы. В качестве примера ниже приведено описание сплавного
метода. Диффузионный метод будет описан в главе 8 «Интегральные мик-
росхемы».
а
б в
Рис. 4.3
Сплавной метод - один из первых и самых дешевых методов полу-
чения р-п переходов. При сплавлении каждый переход изготовляется от-
дельно (индивидуальный метод). На рис. 4.3 в общих чертах показаны ос-
новные стадии сплавного метода. На базовую пластинку германия и-типа
накладывается таблетка акцептора - индия In (см. рис. 4.3,а). Затем пла-
стинка с таблеткой помещается в вакуумную или водородную печь и на-
гревается до такой температуры (® +500 °C), при которой таблетка индия и
прилегающий к ней слой и-Ge расплавляется и образует расплав (см. рис.
4.3,6). Затем нагрев прекращается.
При остывании на дне капли образуется тонкий рекристаллизован-
ный (с сохранением кристаллической структуры Ge) слой германия р-типа
(см. рис. 4.3, в), а на границе р- и «-областей - р-п переход. Застывший ин-
дий образует с p-областью германия невыпрямляющий контакт. К индию
припаивается внешний вывод (обычно никелевая проволочка). На нижнюю
часть базовой пластинки наносится слой олова (олово с и-Ge образует не-
выпрямляющий контакт), к которому припаивается внешний никелевый
вывод. Затем полученный р-п переход с выводами помещается в гермети-
ческий корпус.
Точечные диоды имеют р-п переход в виде полусферы с очень малой
площадью перехода (рис. 4.4). Технология их изготовления сравнительно
проста. Жесткая заостренная игла из сплава вольфрама с молибденом при-
жимается к базовой пластинке германия (или кремния)
и-типа, помещается в корпус и герметизируется. После
сборки и герметизации производится электроформовка
- пропускание через прижимной контакт импульсов то-
ка с большой амплитудой. Под действием этих импуль-
сов под острием иглы образуется p-область (с очень ма-
лыми размерами) и р-п переход на границе с исходным
полупроводником и-типа. Точечные диоды изготовля-
55
ются для сравнительно небольших токов и обратных напряжений, но зато
они дешевы и рабочие частоты их высоки.
4.2.1. Выпрямительные и силовые диоды
Выпрямительные и силовые диоды используются в выпрямительных
устройствах низкой частоты. Силовыми называют диоды, прямой ток ко-
торых превышает 10 А. Выпрямительные диоды (не силовые) - это самые
распространенные, самые обыкновенные плоскостные диоды. Кроме вы-
прямительных устройств они широко используются в самых разнообраз-
ных схемах, рабочие частоты которых невелики. В последнее время вы-
прямительные и силовые диоды, как правило, изготовляются из кремния.
Электрические параметры и методы их определения, обусловленные осо-
бенностями работы диодов в цепях переменного тока, несколько отлича-
ются от рассмотренных выше. Параметры выпрямительных и силовых
диодов определяются из классификационной вольт-амперной характери-
стики (рис. 4.5), прямая ветвь которой представляет зависимость среднего
значения прямого тока от среднего значения прямого напряжения в режи-
ме однополупериодного выпрямления (при этом на диод подаются только
положительные полусинусоиды напряжения).
Обратная ветвь классификационной характеристики представляет
зависимость среднего значения обратного тока от амплитудного значе-
ния обратного напряжения (на диод при этом подаются только отрица-
тельные полусинусоиды напряжения). Параметры выпрямительных и си-
ловых диодов определяются
также координатами точек
классификационной вольт-
амперной характеристики. На
прямой ветви (см. рис. 4.5, точ-
ка А) определены:
1. 1ан - номинальный
средний прямой ток. Это дли-
тельно допустимый ток, при ко-
тором диод не нагревается вы-
ше допустимой температуры.
Для германиевых диодов плот-
ность прямого тока достигает
0,5 А/мм2, для кремниевых -
1 А/мм2.
2. Д[/ан - номинальное
среднее значение прямого на-
56
пряжения при токе 1т. По величине ДС/ан силовые диоды делятся на груп-
пы.
На обратной ветви (точка В) определены'.
1 • Побр.н - номинальное обратное напряжение. Это максимальное до-
пустимое напряжение любой формы, при котором не происходит пробой
р-п перехода. По величине С/обрН силовые диоды делятся на классы. Класс
обозначается числом, получаемым от деления (Дбр.н на 100. С70бр.н опреде-
ляется по условию (4.2). Для силовых диодов т = 0,5.
2 . /обР сР ~ среднее значение обратного тока, это среднее за перио1'
значение обратного тока при номинальном обратном напряжении.
Кроме этих параметров для выпрямительных диодов, особенно г
мощных силовых диодов, важное значение имеют также парамст..
^рас доп - допустимая мощность рассеяния в диоде, при котооо’
переход не нагревается выше допустимой температуры;
Я'с - тепловое сопротивление участка переход - среда, это
тивление растеканию тепла, выделяемого в переходе.
Распределение силовых диодов по группам показано в таб'
раметры выпрямительных диодов приведены в табл. 4.2.
Распределение силовых диодов по группам
Группа Номинальное напряжение Группа Номин? НАП-
А До 0,5 Г
Б 0,5-0,6 д
В 0,6-0,7 Е
Параметры выпрямительных диодов
Тип диода •4ан> А t/обр н> в в А>бр ср> А ° С/Вт Охлаждение
Д226 0,3 400 < 1 <0,03 — Естественное
Д247 10 500 < 1,25 <3 — н
КД 202В В-200, В2-200 3 600 100-1000 < 1 < 1 — tt Воздушное
В КД-200 200 До 2500 <0,6 — 0,15 Принудительное с радиатором
57
4.2.2. Тепловой расчет полупроводниковых приборов
Для всех полупроводниковых приборов, в том числе и для диодов,
мощность рассеяния Ррас, тепловое сопротивление R‘n с и температура ок-
ружающей среды tgKp и перехода /®ер связаны уравнением теплового ба-
ланса:
4р-'окр=ЯпсЛ«> <4-3>
которое лежит в основе тепловых расчетов полупроводниковых приборов.
При известных Ррж , R‘nc н /°кр (из 4.3) может быть определена темпера-
тура перехода Z°ep, которая и используется в (3.10) и (3.11). Для улучшения
условий охлаждения (уменьшения ? °ер) применяются радиаторы (теплоот-
воды). Тогда тепловое сопротивление будет состоять из теплового сопро-
тивления переход - корпус R'n к и теплового сопротивления корпус - среда
Л'с:
Япс=Япк+*к.С- (4.4)
При плотном соединении радиатора с корпусом можно приближенно
считать, что Я'с равно тепловому сопротивлению радиатора Ярад :
R' «Я' . (4.5)
Уравнение теплового баланса с радиатором, с учетом (4.4) и (4.5),
можно записать в виде
'nep-С =(Лпк +Яраа)Ррас- (4-6)
Из (4.6) может быть определено Ярад, при котором при заданной
мощности рассеяния и максимальной температуре окружающей среды
,о
Икотах температура перехода не превышает максимально допустимой
/°
* пер доп *
/° -1°
Dt ‘пер доп ‘окртах < л п\
^рад < р “ п к V**’)
‘рас
Ярац для типовых теплоотводов и Я'к даются в справочниках.
Площадь поверхности (в см2) нетипового радиатора может быть при-
ближенно определена по следующей формуле:
58
s
рад ₽'
лрад
(4.8)
где А'ад в град/Вт.
4.2.3. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды)
Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, у которых в
области пробоя (на обратной ветви) напряжение на диоде почти не изменя-
ется при изменении тока пробоя в широких пределах. Это обусловлено
тем, что имеет место только электрический пробой. Тепловой пробой на
рабочем участке характеристики исключен. Стабилитроны выполняются
из кремния сплавным (реже диффузионным) методом [3]. Вольт-амперная
характеристика и условное обозначение стабилитрона приведены на рис.
4.6. Прямая ветвь - обычная. Рабочей является обратная ветвь в области
пробоя. В пределах min - /ст тах напряжение пробоя является напряжением
стабилизации Стабилитроны используются для стабилизации посто-
янного напряжения и для ограничения напряжения (постоянного и пере-
менного), а также в качестве источников эталонного напряжения и др.
Параметры стабилитронов определяются на рабочем участке харак-
теристики. Основными параметрами являются:
59
U„ - номинальное напряжение стабилизации;
/ст - номинальный ток стабилизации;
/ст min - минимальный ток стабилизации (при токах, меньших тin,
резко ухудшаются свойства стабилитрона);
/ст max - максимальный ток стабилизации, при котором гарантируется
заданная надежность при длительной работе (/„ max определяется допусти-
мой мощностью рассеяния Ррас тах);
Лд - дифференциальное сопротивление на рабочем участке, опреде-
ляемое отношением приращения напряжения стабилизации AUcr к вызвав-
шему его приращениюхтока стабилитрона А/Ст (при заданном токе стабили-
трона):
ТКС - температурный коэффициент напряжения стабилизации, оп-
ределяемый как отношение относительного (процентного) изменения на-
пряжения стабилизации Д[/„ к изменению температуры окружающей сре-
ды:
ТКС =—%/°с.
^СТ ' А^окр
Если напряжение не превышает 5,7 В, то ТКС отрицателен. При этом
преобладает туннельный механизм пробоя. При больших напряжениях
(Сст > 5,7 В) доминирует. лавинный механизм и ТКС становится
положительным [2,3]. В табл. 4.3 приведены параметры некоторых
стабилитронов.
Таблица 4.3
Параметры стабилитронов
Тип приборов t/сТз В Лгг, мА R, Ом ТКС, % / ° С Лгг пмл> Агг max, мА р 1 рас max, мВт
КС147А 4,1-5,2 10 56 -0,08 3-58 300
Д808 7,0-8,5 5 6 +0,07 1-33 280
КС980А 153-207 25 330 +0,2 2,5-28 5000
4.2.4. Импульсные диоды
Импульсные диоды предназначены для работы в цепях с очень бы-
стрым (импульсным) изменением тока по величине и по направлению. При
быстром изменении напряжения (тока) на диоде ток (напряжение) через
диод в соответствии со статической характеристикой (3.9) устанавливается
не сразу, а через некоторое время, обусловленное инерционностью диода.
60
Инерционность диода связана с конечной скоростью установления концен-
трации неравновесных носителей при внешнем смещении р-п перехода.
Поэтому для импульсных диодов наряду с параметрами, определенными
из статической вольт-амперной характеристики, вводят еще ряд парамет-
ров, характеризующих инерционность диода. Основные из них:
1 • ^восст ~ время восстановления обратного сопротивления при пере-
ключении из прямого направления в обратное в момент г, (рис. 4.7). В на-
чальный момент после переключения Ua обратный ток намного больше ус-
тановившегося (3.8) из-за высокой неравновесной концентрации неоснов-
ных носителей, оставшихся от прямого смещения. В течение Гв(,сст концен-
трация неосновных носителей уменьшается, а обратный ток достигает за-
данного значения (несколько большего, чем из (3.8), как показано на
рис. 4.7).
2. ty„ - время установления прямого сопротивления диода при пере-
61
ключении из обратного направления в прямое в момент Ц (рис. 4.8). В на-
чальный момент включения прямого тока величина прямого напряжения
(сопротивления) на р-п переходе больше, чем это следует из (3.7), так как
концентрация инжектированных (неосновных) носителей еще мала. В те-
чение /уст концентрация инжектированных носителей достигает величины,
близкой к установившейся, а прямое напряжение (сопротивление) умень-
шается до 1,1 17пр, соответствующего статической вольт-амперной характе-
ристике (3.7). Этот процесс еще характеризуют максимальным импульс-
ным прямым напряжением Unp имп тах.
3. Сд - емкость диода при заданном смещении. Часто Сд измеряется
при С/обр = 5 В.
В табл. 4.4 приведены параметры некоторых импульсных диодов.
Импульсные диоды выполняются точечными и плоскостными с малой
площадью перехода.
Таблица 4.4
Параметры импульсных диодов
Тип мА t/np ^пр имп ^обр Л)брэ мкА ^ВОССТ ^уст с (Побр=5В), пФ
диода в МКС
Д18 20 1 5,0 20 50 <0,10 <0,08 0,5
Д219А 50 1 2,5 70 1 0,50 — 15,0
КД503А 20 1 2,5 30 10 0,01 — 5,0
По величине /восс| импульсные диоды подразделяются на:
- скоростные, или микросекундные, 1мкс < /восст < 0,1мс;
- сверхскоростные, или наносекундные, /80CCT< 0,1 мкс.
4.2.5. Туннельные и обращенные диоды.
Туннельный эффект
Туннельные диоды
Основой туннельного диода (ТД) также является р-п переход, однако
среди других ТД занимает особое место. Его действие в рабочем диапазоне
основано на туннельном механизме протекания тока, а не на диффузион-
ном, как у других диодов. В туннельном диоде р-п переход образован меж-
ду двумя вырожденными областями р- и и-типа (т.е. с очень высокой кон-
центрацией доноров и акцепторов - 1019 см 3 и больше). Уровень Ферми
вырожденных полупроводников находится внутри разрешенной зоны. По-
тенциальный барьер такого перехода близок к максимальному, а ширина
р-п перехода мала: 0,01-0,02 мкм. Внутреннее электрическое поле перехо-
62
да достигает критической величины £кр > 105 В/см, при которой резко воз-
растает вероятность туннельного эффекта. При этом электроны могут пе-
реходить из одной области в другую, не преодолевая потенциального
барьера, а просачиваясь сквозь него (туннелировать) благодаря волновым
свойствам электрона. В вольт-амперной характеристике туннельного диода
(рис. 4.9) имеется область, обусловленная туннельным механизмом проте-
кания тока - вся обратная ветвь и прямая ветвь до точки 2. В этой области
при малых смещениях (прямом и обратном) токи резко возрастают. Затем
на прямой ветви достигается максимальное (пиковое) значение 1П, после
которого прямой ток падает (из-за уменьшения напряженности Е в перехо-
де и уменьшения туннельного потока носителей).
Рис. 4.9
В точке 2 (называемой впадиной) туннельный эффект практически
исчезает и преобладающим становится диффузионный механизм протека-
ния тока, вольт-амперная характеристика после точки 2 совпадает с пря-
мой ветвью ВАХ обычного диода. Рабочей является часть прямой ветви в
пределах 0 4- С3. Участок характеристики U„ — UB с отрицательным сопро-
тивлением - важнейшая особенность туннельного диода. Туннельные дио-
ды обладают высоким быстродействием (могут работать в СВЧ диапазо-
не), могут использоваться в широком диапазоне температур (германиевые
- до +200 °C, арсенидгаллиевые — до +400 °C). В устройствах автоматики
туннельные диоды применяются как быстродействующие переключающие
элементы.
63
Туннельный эффект
Туннельный эффект имеет квантово-механическую природу и за-
ключается в том, что электроны благодаря своим волновым свойствам мо-
гут «просачиваться» сквозь тонкий и высокий потенциальный (энергети-
ческий) барьер без изменения своей энергии (по горизонтали), как бы по
туннелю в барьере - туннелировать. Под энергетическим барьером здесь
следует понимать ширину запрещенной зоны AFK или соответствующий ей
потенциальный барьер <р3= EW/q. Туннельный эффект объясняется зонной
теорией твердого тела. Туннелирование в заметных размерах возможно,
если:
1. Напряженность электрического поля Е больше критической: Е >
>Exfm = 105В/см.
2. Толщина потенциального барьера не превышает 0,01 -s- 0,02 мкм.
3. Имеются занятые элекронами энергетические уровни в зоне, из
которой возможно туннелирование электронов.
4. Имеются свободные разрешенные энергетические уровни с такой
же энергией в зоне, куда могут туннелировать электроны, упомянутые
выше, т.е. должны быть изоэнергетические уровни по обе стороны барье-
ра.
Условия туннелирования дырок точно такие же [2]. Для упрощения
рассмотрим только движение электронов при туннелировании. Все указан-
ные условия выполняются, и туннелирование имеет место в р-п переходе
ТД.
Равновесие ТД. На рис. 4.10,а приведена зонная (энергетическая)
диаграмма симметричного туннельного перехода в равновесии. Из-за
большого потенциального барьера <р0 взаимное смещение р- и «-областей
(см. рис. 3.2) такое, что нижняя часть зоны проводимости (ЗП) «-области и
верхняя часть валентной зоны (ВЗ) p-области оказались на одном уровне и
разделенными очень узким запорным слоем шириной d « (0,01 4- 0,02) мкм
[2]. Примем для упрощения, что все разрешенные энергетические уровни
ниже уровня Ферми W F (в p-области) и Wp (в «-области) заняты электро-
нами. Занятые электронами уровни на рис. 4.10 заштрихованы. Все разре-
шенные энергетические уровни выше уровня Ферми в р- и «-областях
свободны. Эти уровни не заштрихованы. Это соответствует температуре
Т = 0 К, а распределение электронов по уровням описывается кривой 1
(ступенчатой) распределения Ферми f„(W) согласно (2.1). Такое условие
существенно упрощает рассмотрение туннельного тока через переход, не
внося при этом большой погрешности, т.к. ТД может работать при очень
низких температурах (вблизи 0 К). В равновесии (Ъ'а = 0) устанавливается
общий уровень Ферми WF (W ? = Wp = WF ). Электроны из ЗП «-области
туннелировать не могут, т.к. им некуда туннелировать: против них в ВЗ
64
p-области все энергетические уровни заняты электронами (нет места для
«просачивания» электронов). Не могут туннелировать и электроны из ВЗ
p-области: против них в ЗП «-области разрешенные энергетические уровни
заняты (тоже нет места), а в запрещенной зоне Д/F нет разрешенных уров-
ней энергии. Значит, при Ua = 0 нет туннельных потоков, нет тока через
переход - 1а = 0. Полученный вывод верен и для более высокой температу-
ры - Т > 0 К, при которой распределению Ферми (2.1) соответствует кри-
вая 2 на рис. 4.10,а. Часть электронов при этом находится выше уровня
Wp в ЗП «-области, а ниже уровня Wp имеются свободные энергетиче-
ские уровни. То же самое и в ВЗ p-области: имеются занятые электронами
энергетические уровни выше уровня Ферми W/ и есть свободные энерге-
тические уровни (дверки) ниже W, т.е. при равновесии (Ua = 0) уже про-
исходит некоторое туннелирование электронов из ЗП «-области в ВЗ р-
области (прямой туннельный ток) и, наоборот, туннелирование электронов
из ВЗ p-области в ЗП «-области (обратный туннельный ток). В отличие от
туннельного пробоя в обычных диодах (П. 3.2.1), происходящего только
при обратном смещении (при tZo6p = С/про), в ТД туннелирование в обоих
направлениях имеется уже в равновесии (при Ua = 0). Встречные туннель-
ные токи в равновесии одинаковы, т.к. кривая распределения электронов
(2.1) по энергетическим уровням fn(W) симметрична относительно общего
уровня Ферми Wp. Поэтому вероятность f„(W) нахождения электронов
выше общего уровня Ферми WF и вероятность (1 -f„(W)) отсутствия элек-
тронов ниже этого уровня в р- и «-областях одинаковы. Следовательно,
вероятности туннелирования слева и справа одинаковы. Прямой и обрат-
ный туннельные токи равны (обозначены маленькими стрелками). Ток че-
рез переход 1а = 0.
Прямое смещение ТД. При прямом смещении ТД (Ua = t/np > 0) уро-
вень Ферми Wр «-области смещается вверх на величину qUnp относительно
уровня Wp p-области (рис. 4.10,6):
/г; = W? + qUap (U= W/q).
На такую же величину qU,v уменьшается смещение p-области отно-
сительно «-области. При этом интервал занятых электронами уровней в ЗП
«-области все больше перекрывается интервалом свободных уровней (ды-
рок) в ВЗ p-области, что ведет к увеличению интенсивности туннелирова-
ния электронов из «-области в p-область, т.е. к увеличению прямого тун-
нельного тока. В то же время уменьшается возможность туннелирования
электронов из ВЗ p-области в «-область, т.к. перекрытие интервала занятых
уровней в ВЗ p-области с уровнями ЗП «-области уменьшается, а увеличи-
вается перекрытие с запрещенной зоной, в которой нет разрешенных энер-
65
готических уровней. Происходит увеличение тока на прямой ветви ВАХ
(рис. 4.9, интервал токов 0-1). Максимальное значение тока 1П (точка 7)
достигается при максимальном перекрытии интервала ниже уровня WF
(занятого электронами) и интервала выше уровня W F (свободного от элек-
тронов), как показано на рис. 4.10,6. При дальнейшем увеличении (/||р ука-
занные интервалы начинают расходиться. Интервал с электронами в ЗП
и-области начинает перекрываться с запрещенной зоной А1Т, куда тунне-
лирование невозможно (нет разрешенных уровней). Прямой ток начинает
уменьшаться до тока /в (точка 2), когда дно ЗП и-области Wc окажется на
одном уровне с потолком ВЗ р-области W,:. Туннельный ток в точке 2 пре-
кращается. При дальнейшем повышении J7np, начиная с точки 2, вступает в
действие диффузионный механизм протекания прямого тока, как в обыч-
ном диоде.
Обратное смещение ТД. При обратном смещении (Ua = 6„бр < 0) от-
носительное смещение областей на зонной диаграмме увеличивается на
величину qUo6f (рис. 4.10,в):
<робР = <Рз + У„бР (<р = W!q).
Вал. зона
Зона пров.
W^=WF=WF
а
Рис. 4.10
66
в
Рис. 4.10 (окончание)
67
При этом туннелирование электронов из «-области в p-область (пря-
мой ток) прекращается (некуда туннелировать). Туннелирование из д-об-
ласти в «-область (обратный ток) резко возрастает, т.к. увеличивается пе-
рекрытие интервала занятых электронами уровней в ВЗ p-области с интер-
валом свободных уровней в ЗП «-области и увеличивается напряженность
электрического поля Е в переходе. Процессы в р-п переходе ТД при обрат-
ном смещении аналогичны туннельному пробою (П. 3.2.1). Можно счи-
тать, что при увеличении обратного напряжения на ТД происходит резкий
рост тока туннельного пробоя, имеющегося уже в равновесии (при Ua = 0).
Параметры ТД. Основные статические параметры ТД определяются
координатами точек 1,2, 3 его ВАХ (см. рис. 4.9).
I„ (/j), U„ (t/i) - ток и напряжение пика (точка 1).
(Ui) - ток и напряжение впадины (точка 2).
Upf (Uj) - напряжение раствора, прямое напряжение, большее на-
пряжения впадины, при котором ток равен пиковому.
1„/ IR (Д /12) - отношение тока пика к току впадины.
В скобках указаны обозначения параметров, которые тоже применя-
ются довольно часто.
ТД изготавливаются из германия (Ge) - чаще всего, арсенида галлия
(GaAs) и антимонида галлия (GaSb). Основной метод изготовления -
сплавление (см. рис. 4.3). После сплавления производится электролитиче-
ское травление для получения малой площади перехода и заданной вели-
чины пикового тока 1п. Туннельные диоды подразделяются на переклю-
чающие, генераторные и усилительные. В табл. 4.5 приведены параметры
некоторых переключающих ТД.
Параметры туннельных диодов
Таблица 4.5
Тип диода Материал In, мА /в, мА C/ь мВ и2, В Уз, В
ГИ304А Ge 4,8 0,3 >5 <75 0,254-0,35 >0,44
ГИ305А Ge 9,6 0,5 >5 <85 0,254-0,35 >0,45
АИ301Г GaAs 10,0 1,0 >8 180 0,44-0,5 >0,8
Генераторные и усилительные ТД применяются в СВЧ-диапазоне
радиоволн. У генераторных ТД ток /п достигает 100 мА и более
(АИ201 К,Л), у усилительных ТД величина тока 1П не превышает несколь-
ких мА. Кроме статических, для генераторных и усилительных ТД боль-
68
шое значение имеют малосигнальные параметры, из которых наиболее
употребительны:
- сд - емкость диода между выводами при заданном напряжении
смещения, единицы пФ;
- гг- сопротивление потерь, единицы Ом;
- Гд - дифференциальное сопротивление (d[/a / d/a), не превышает
30-40 Ом;
- fR - предельная резистивная частота, на которой активная состав-
ляющая импеданса цепи из р-п перехода- ТД и сопротивления потерь об-
ращается в нуль;
- £к (Тд) - индуктивность корпуса (диода).
Дополнение. Туннельный диод - это универсальный прибор, способ-
ный выполнять все функции, свойственные активным элементам элек-
тронных схем, - усиление, генерацию и др. Вопросы применения ТД со-
ставляют отдельную область (раздел) прикладной электроники. При этом
схемы, выполненные на ТД, кардинально отличаются от транзисторных,
что обусловливает необходимость пересмотра методов построения и рас-
чета схем на ТД.
Обращенные диоды
Обращенный диод (ОД) - это разновидность туннельного диода, у
которого нет совсем тока 1„ или он очень мал (1„ = 0,5...0,01 мА).
ОД эффективно используются как пассивные элементы в радиотех-
нических устройствах - детекторах и смесителях для работы при малом
сигнале, а также как переключающие элементы для импульсных сигналов
малой амплитуды.
Для получения обращенного диода используются р и п полупровод-
ники с концентрацией примесей, меньшей, чем в туннельных диодах, но
большей, чем в обычных выпрямительных. В ОД дно зоны проводимости
(1ТС) «-области совпадает с потолком валентной области /^-области (W/v).
Типовая ВАХ ОД приведена на рис. 4.11. Обратная ветвь ВАХ обращенно-
го диода аналогична обратной ветви ВАХ туннельного (см. рис. 4.9, 4.11).
Поэтому обратные токи в обращенных диодах оказываются большими при
ничтожно малых обратных напряжениях (десятки милливольт).
При прямых напряжениях до 0,8-1,0 В (GaAs) прямой ток через ОД
почти не протекает.
Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющими
свойствами, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует
обратному включению, а запирающее (непроводящее) - прямому включе-
нию. Другими словами, ВАХ обращенного диода повернута на 180 граду-
сов относительно ВАХ выпрямительного диода (см. рис. 3.7,5). Однако на-
69
до иметь в виду, что они могут
эффективно работать только на
малых сигналах.
Например, при детектиро-
вании малых радиосигналов в
дециметровом диапазоне радио-
волн ОД обеспечивают чувст-
вительность в 10-20 раз боль-
шую, чем обычные диоды. При
использовании ОД в смесителях
и детекторах коэффициент шу-
ма меньше на 20-30 дБ, чем при
использовании обычных дио-
дов.
4.2.6. Варикапы
Варикап - это полупроводниковый диод, в котором используется за-
висимость барьерной емкости С гглр р-п перехода от обратного напряжения.
Для большинства реальных р-п переходов зависимость Сбар(С/обР) можно
представить в виде
С6ар(1/о6р) = Л5(С7о6р + фо)-л, (4.10)
где А - постоянный коэффициент для данного перехода; .S' - площадь пе-
рехода, мм2 ; С7обр - обратное напряжение, В; 1/2 > п > 1/3, ф0« 0,8 В.
Например, для сплавных переходов Л = 128, п = 1/2,
_ 128-5
Варикапы широко применяются в радиотехнических устройствах для
электронной (дистанционной) перестройки колебательных контуров в диа-
пазонах радиоволн - коротковолновом (КВ), ультракоротковолновом
(УКВ) и дециметровом (ДЦВ). По сути варикап - это полупроводниковый
управляемый напряжением конденсатор. Он заменяет в радиоустройствах
конденсаторы переменной емкости довольно внушительных габаритов.
Особенно эффективно применение варикапов в микроэлектронных радио-
устройствах.
70
Параметры варикапов. Сн - номинальная емкость, измеренная между
выводами при небольшом обратном напряжении (/1|бр = 2...5 В. Для боль-
шинства варикапов Сн £ 10...500 пФ.
Кс - коэффициент перекрытия по емкости, равный отношению
С*бар max / C(jap mm W 5—20.
б'бар max ~~ ^-бар (Собр min), ^бар min Сбар (Кобр max)-
Q - добротность, определяемая отношением реактивного сопротив-
ления варикапа Хс к полному сопротивлению потерь г\ при заданном об-
ратном напряжении на заданной частоте,
Q = Xclrs* 20-500.
На высокой частоте Хс = 1/<л Сбар и QB =1/ г,-и-Ср1ар.
4.3. Контакт металл - полупроводник. Диоды Шоттки
В последнее время достаточно широко в электронных приборах,
особенно в микросхемах, используется барьер Шоттки, являющийся осно-
вой диода Шоттки (ДИТ). Барьер Шоттки образуется в переходе металл -
полупроводник. Возможны металло-дырочный или металло-электронный
переходы. По свойствам ДШ аналогичен рассмотренным ранее диодам с
электронно-дырочным переходом, но отличается от них параметрами. Пе-
реход металл - полупроводник часто называют «контакт металл - полу-
проводник». Этот контакт имеет более широкое применение, чем основа
ДШ: переход металл - полупроводник может образовывать выпрямляю-
щий (основу ДШ) или невыпрямляющий (основу соединения внешних вы-
водов с кристаллом и внутренних межсоединений) контакты. Свойства пе-
рехода металл - полупроводник определяются взаимным расположением
уровней Ферми в металле Wp и в полупроводниках Wp - электронном,
W f - дырочном. Часто для объяснения свойств перехода металл - полу-
проводник используют понятия работы выхода электрона из металла Ами
из полупроводников Ар, А„.
4.3.1 Выпрямляющий контакт металл - полупроводник и-типа
Для анализа процессов в контакте металл - полупроводник исполь-
зуют зонные диаграммы (см. П.1.2, рис. 1.3,б,г) и-распределение Ферми
(2.1) электронов по энергетическим уровням.
Слои М и и до контакта. На рис. 4.12,а показано взаимное располо-
жение зонных диаграмм металла (М) и электронного полупроводника (л)
71
W? > W?
Рис. 4.12
до «соприкосновения». Общим уровнем энергии обоих слоев является
«уровень свободного электрона» или нулевой уровень энергии электрона
(Ж= 0) в новой системе - в окружающем пространстве. В принципе, это и
нулевой уровень потенциальной энергии электрона в системе кристалла
(энергии связи). На этом уровне электрон может оказаться, преодолев
внутреннюю энергию связи. Электрон оказывается в новой системе на гра-
нице между внешней средой и кристаллом. При большей энергии, превы-
шающей энергию связи, электрон уйдет в окружающее пространство.
«Энергетическое» расстояние между уровнем Ферми и уровнем свободно-
го электрона называют работой выхода А. При более высоком уровне Фер-
ми работа выхода будет меньше. Так, на рис. 4.12,<я уровень Ферми в полу-
проводнике и-типа Wp расположен выше уровня Ферми в металле Wp
(Wр > Wр ) на. величину
SWF=W;-W^, (4.11)
а работа выхода электрона из полупроводника и-типа меньше работы вы-
хода из металла (А„ < Ам). Кривая распределения электронов по энергети-
ческим уровням относительно уровня Ферми (см. рис. 2.2) одинакова для
72
обоих слоев, но в слое и-типа эта кривая расположена выше, чем в слое М.
Поэтому электронов на энергетических уровнях в зоне проводимости
и-слоя больше, чем электронов в металле на тех же энергетических уров-
нях, т.е. при указанном на рис. 4.12,а расположении уровней Ферми в по-
лупроводнике и-типа больше электронов с более высокой энергией, чем в
металле.
Слои М и п после контакта. После «идеального соприкосновения»
слоев М и п по границе а (рис. 4.12,6) вероятность перехода электронов из
«-области в металл М будет больше, чем вероятность встречного перехода.
Результат перехода электронов из «-области в металл М такой же, как в
р-п переходе (П. 3.1) при переходе электронов из «-области в р-область: в
приграничном слое «-области остаются нескомпенсированные положи-
тельные ионы донора (обведенные окружностью), которые образуют по-
ложительный объемный заряд в «-области на протяжении hOs от границы а,
не более 0,1 мкм (рис. 4.12,б,в). Из-за большой концентрации электронов в
металле М дополнительный приход электронов из «-области почти не из-
меняет распределение электронов в металле (в отличие от p-области в р-п
переходе). Как и в р-п переходе, возникает внутреннее электрическое поле
Е,, препятствующее дальнейшему переходу электронов в металл М. Уста-
навливается динамическое равновесие, при котором разность работ выхода
&AF =АМ ~А„ = \WF (4.12)
уравновешивается потенциальным барьером (контактной разностью по-
тенциалов) фо, (см. П. 3.1), который называется барьером Шоттки'.
= . (4.13)
q q
В новой системе (металл М - переход hOs - область я) вследствие
термодинамического равновесия устанавливается общий для всей системы
уровень Ферми WF. На этом уровне выравниваются уровни Ферми в ме-
талле WF и полупроводнике WF, а энергетические уровни (зоны) смеща-
ются на величину AAF (&WF).
Из-за перехода электронов из «-области в металл М концентрация
электронов (основных носителей тока в «-области) изменяется в переходе
&os от минимальной на границе а до равновесной «„ на границе перехода h&
с «-областью (на расстоянии hOs от границы а) точно так же, как в
«-областир-п перехода (П. 3.1). Также изменяется положение уровня Фер-
ми в переходе hOs в соответствии с (2.13) относительно середины запре-
щенной зоны A W и искривляются энергетические уровни (зоны) в
«-области вверх на величину SWF (см. рис. 4.12,6). Свойства перехода h(k
на рис. 4.12 аналогичны свойствам р-п перехода. Внешнее напряжение Ua,
73
приложенное плюсом к металлу М (в р-п переходе - к области р), а мину-
сом - к «-области является прямым: оно понижает барьер Шоттки <р Os на
величину иа'.
ф пр ф 0s ~
через переход течет большой прямой ток, обусловленный основными но-
сителями - электронами. Противоположное направление внешнего напря-
жения Uа является обратным: оно увеличивает потенциальный барьер пе-
рехода
ф обр = ф Os + Uа,
через переход течет только обратный (тепловой) ток 1а. Контакт металл -
полупроводник (см. рис. 4.12) является выпрямляющим.
4.3.2. Выпрямляющий контакт металл - полупроводник р-типа
На рис. 4.13,а показано взаимное расположение зонных диаграмм
металла (Л/) и дырочного полупроводника (р) до «соприкосновения» (изо-
лированных слоев Мир) относительно уровня свободного электрона
(1Г = 0). Уровень Ферми W £ в полупроводнике p-типа расположен ниже
уровня Ферми WF в металле (WF<WF )на величину AWF :
&WF=Wj?-WF . (4.14)
Соответственно работа выхода электрона из металла Ам меньше ра-
боты выхода электрона из p-области Ар (Ар > Ам ) на величину l\Af :
\AF=Ap-AM = AWf. (4.15)
Теперь на одинаковых энергетических уровнях в металле М будет
больше электронов, чем в р-полупроводнике.
После «идеального соприкосновения» по границе а электроны из
слоя с меньшей работой выхода, т.е. из металла М, будут переходить в
полупроводник p-типа. В приграничном (у границы а) слое p-области уве-
личится концентрация электронов и начнется усиленная рекомбинация
дырок с электронами, в результате которой появятся нескомпенсирован-
ные отрицательные заряды ионов акцепторной примеси точно так же, как в
приграничном слое p-области вр-п переходе (см. П. 3.1, рис. 3.1).
В результате образуется пространственный отрицательный заряд на
протяжении от границы а в p-области и положительный заряд такой же
величины в металле М, расположенном в пределах атомного слоя на гра-
нице а. Появляется внутреннее электрическое поле Е„ направленное от ме-
74
Рис. 4.13
талла М к p-области. Это поле препятствует дальнейшему переходу элек-
тронов из металла М в p-область. Устанавливается динамическое равнове-
сие, как в р-п переходе, при котором разность работ выхода из (4.15)
уравновешивается барьером Шоттки (рис. 4.13,в):
Ар~Аи W“ -W
Фо. = —---— = ---~
Я <1
(4.16)
Также устанавливаются общий для всей системы уровень Ферми WF
(результат термодинамического равновесия), изменение концентрации ос-
новных носителей-дырок от минимальной на границе а до равновесной рр
на расстоянии /г0, от границы а в p-области, искривление энергетических
уровней (зон) в переходе hOs вниз на величину &W F.
Внешнее напряжение Ua, приложенное плюсом к p-области, а мину-
сом - к металлу М, понижает потенциальный барьер на переходе на вели-
чину Ua (ф пр = <р о. ~ ОД. Через переход течёт большой (прямой) ток. Это -
прямое направление. Противоположное подключение Ua является обрат-
ным: оно увеличивает потенциальный барьер на переходе на величину Ua
75
(Ф „бр = ф о» + Ua). Через переход течёт только обратный (тепловой) ток /0.
Контакт металл - полупроводник на рис. 4.13 выпрямляющий.
Более подробно процессы, происходящие в переходе как в равнове-
сии, так и при внешнем смещении, описаны в подразделе 3.1 при рассмот-
рении р-п перехода.
4.3.3. Диоды Шоттки
Из рассмотрения процессов в контакте металл - полупроводник
можно установить следующее:
1. Электроны переходят из слоя с меньшей работой выхода в слой с
большей работой выхода (из n-области в металл на рис. 4.12,а, из металла в
p-область на рис. 4.13,а).
2. Если в результате перехода электронов происходит обеднение
приконтактного слоя полупроводника основными носителями (уменьшает-
ся концентрация основных носителей), то получается выпрямляющий кон-
такт с барьером Шоттки.
Качественные барьеры Шоттки с кремнием образуют металлы: золо-
то, платина (силицид платины - сплав платины с кремнием), вольфрам, ва-
надий, молибден [3]. Контакт (переход) получают:
а) методом осаждения паров металла (золота, платины) на монокри-
сталл полупроводника при вакуумном испарении металла (напыление ме-
талла на полупроводник в вакууме [1]);
б) методом химического, осаждения путем восстановления водоро-
дом газообразного соединения металла при повышенной температуре. Так
наносят пленки тугоплавких металлов - вольфрама, молибдена, ванадия.
Электрические свойства барьера Шоттки при этом получаются более ста-
бильными.
Барьер Шоттки является основой диода Шоттки (ДШ). Обычно для
изготовления ДШ в качестве основы (подложки) используют низкоомный
кремний n-типа (л+) с тонким слоем (плёнкой) высокоомного кремния того
же типа (и), как показано на рис. 4.14,а. На поверхность высокоомной
плёнки кремния (n-Si) наносят металлический электрод из золота (Au) ме-
тодом напыления в вакууме. На границе плёнки золота и высокоомной
плёнки n-Si образуется выпрямляющий контакт (переход). На рис. 4.14,6
приведено условное обозначение ДШ.
По свойствам ДШ аналогичен диодам на р-п переходах, однако име-
ются существенные отличия:
1. Важнейшей особенностью ДШ по сравнению с диодами на р-п пе-
реходах является отсутствие инжекции неосновных носителей. Прямой ток
в ДШ осуществляется основными носителями. Значит отсутствуют рас-
76
б
Рис. 4.14
сасывания и накопления неос-
новных носителей, что сущест-
венно повышает быстродействие
ДШ, т. к. при переключении ДШ
с прямого направления на об-
ратное и наоборот отсутствует
время восстановления ?вос и вре-
мя установления /уст (П. 4.2.4).
Время переключения /пср опре-
деляется только временем пере-
заряда барьерной ёмкости (Сбар),
и у ДШ с малой площадью пере-
хода /пСр может составлять деся-
тые и сотые доли наносекунды, а
рабочие частоты - 3-5 ГГц. Та-
кие ДШ используются как
сверхскоростные импульсные
диоды в СВЧ-диапазоне (детек-
торы, смесители), в приемниках
излучения, детекторах ядерного
излучения, модуляторах света и др.
2. Прямое напряжение на ДШ меньше на 0,2-0,3 В, чем на кремние-
вом р-п переходе. Это обусловлено большей величиной теплового тока /0 в
формуле ВАХ (3.9), справедливой и для барьера Шоттки. Прямое напря-
жение Unp на ДШ не превышает 0,4 В. Это важное свойство ДШ позволяет
существенно повысить быстродействие ключевых элементов в цифровой и
импульсной технике применением «ключей Шоттки».
3. Прямая ветвь ВАХ диода Шоттки не отличается от теоретической
(3.9) в пределах 8-9 декад изменения прямого тока 1„р (от 10~12 до 10^* А).
В этих пределах /пр зависимость lg(/np) = ДСпр) прямолинейна, что дает
возможность использовать ДШ в качестве быстродействующих прецизи-
онных логарифмирующих элементов в соответствии с (3.9).
Кроме сверхскоростных и сверхвысокочастотных диодов на базе
барьера Шоттки можно создавать и мощные высокочастотные выпрями-
тельные ДШ. Созданы ДШ, работающие на частоте 1 МГц при {7о6р > 50 В
и/пр> 10 А [3].
Важным преимуществом ДШ может быть их низкая стоимость по
сравнению со стоимостью диодов на р-п переходах.
Можно варьировать величину барьера Шоттки <р 0„ подбирая к полу-
проводнику металл с необходимой работой выхода.
77
4.3,4. Невыпрямляющие контакты металл - полупроводник
Очень большое значение в полупроводниковых приборах (особенно
в микросхемах) имеют невыпрямляющие контакты металл - полупровод-
ник. Такие контакты называют омическими. Они используются для соеди-
нения областей полупроводника («-типа, р-типа) с внешними выводами
прибора. Невыпрямляющих контактов в полупроводниковых приборах
больше, чем выпрямляющих.
Например, диод имеет два внешних вывода, значит, и два омических
контакта. Особенно много омических контактов используют во внутрен-
них соединениях (межсоединениях) в микросхемах.
Однако теория омических контактов разработана слабее, чем теория
выпрямляющих. На практике создание качественных омических контактов
иногда требует больших усилий, чем созданиер-п переходов.
Омические контакты получаются в том случае, если в результате пе-
рехода электронов происходит обогащение приконтактного слоя полупро-
водника основными носителями тока (а не обеднение, как при образовании
выпрямляющих контактов, рассмотренных ранее).
Омический контакт металла с полупроводником и-типа получается
при переходе электронов из металла в «-область. Для этого работа выхода
электронов из металла Ам должна быть меньше работы выхода из «-об-
ласти А„. Соотношения работ выхода и относительное расположение уров-
ней Ферми должны быть противоположны тем, которые указаны на рис.
4.12,а, т.е. должно быть
Л>Ло (4.17)
Тогда при «идеальном соприкосновении» электроны будут перехо-
дить из металла в «-область, а в приконтактном слое и-области будет про-
исходить увеличение концентрации (обогащение) основных носителей то-
ка в «-области - электронов. Сопротивление обогащенного слоя будет
меньше, чем сопротивление равновесной «-области и не будет влиять на
протекание тока через контакт при приложении внешнего напряжения в
любом направлении.
Омический контакт металла с полупроводником р-типа получается
при переходе электронов из p-области в металл. Для этого работа выхода
электронов из металла Л w должна быть больше работы выхода из р-облас-
ти Ар. Соотношение работ выхода и относительное расположение уровней
Ферми должны быть противоположными тем, которые приведены на рис.
4.13,а, т.е. должно быть
4р<Ам, WP >W*. (4.18)
78
Тогда при «идеальном соприкосновении» электроны будут перехо-
дить из /^-области в металл, а в приконтактном слое />-области будет уве-
личиваться концентрация (обогащение) основных носителей тока - дырок.
Создается обогащенный слой, который (как и в случае с и-областью) не
влияет на протекание тока через контакт в любом направлении.
Для получения омических контактов, т.е. для выполнения условий
(4.17), (4.18), подбирают соответствующие металлы. При этом желательно,
чтобы работы выхода из металла и из полупроводника были одинаковыми
или разница была небольшой. Однако добиться этого удается далеко не
всегда. Поэтому для получения качественного омического контакта при-
контактную область полупроводника дополнительно легируют и получают
приконтактный слой, сильнолегированный -п’ илир'.
Для получения омических контактов широко используется алюми-
ний.
4.4. Обозначение (маркировка) несиловых диодов
В настоящее время для маркировки выпускаемых в нашей стране
диодов используются две системы обозначения:
1. Система обозначения до 1964 г. (старая), состоящая из трех эле-
ментов:
первый элемент - буква Д (означает диод);
второй элемент - число, указывающее тип и параметры прибора:
1 -100 - точечные германиевые,
101-200 - точечные кремниевые,
201-300 - плоскостные кремниевые,
301-400 - плоскостные германиевые,
801 -900 - стабилитроны;
третий элемент - буква, указывающая разновидность диода данного
типа.
Например, Д214Б - кремниевый плоскостной диод (точные парамет-
ры можно узнать по справочнику). По этой системе обозначены диоды,
разработанные до 1964 г. Некоторые из них выпускаются и в настоящее
время. В обращении находится много диодов этой системы обозначения.
2. Система обозначения после 1964 г. (новая, более совершенная),
состоящая из четырех элементов:
первый элемент - буква или цифра, указывающая на исходный мате-
риал: Г или 1 - германий, К или 2 - кремний, А или 3 - арсенид галлия;
второй элемент - буква, указывающая тип прибора: А - сверхвысо-
кочастотный диод, Д - диод, И - туннельный диод, С - стабилитрон,
В - варикап и т.д.;
третий элемент - число, указывающее назначение и электрические
79
свойства прибора, например:
101-399 - выпрямительные диоды,
401-499 - универсальные диоды,
501-599 - импульсные диоды,
101-999- варикапы,
101 -199 - усилительные 'I
201-299-генераторные ?- туннельные диоды,
301-399- переключающие J
101 -199 - С/стаб = 0,1...9,9В "I стабилитроны малой мощности
101-199-^6 = 0,1. ..9,9 В 'I
201-299-С/ста6= 10...99В f-
301-399-Uen6= 100...199 bJ
Р < 0,3 Вт,
401-499- Um6 = 0,1. ..9,9 В
501-599 - t/CTa6 = 10...99 В
стабилитроны средней мощности
0,3 Вт < Р < 5 Вт,
601 -699 - Um6 = 100... 199 В J
701-799- С4габ = 0,1...9,9 В "1 стабилитроныбольшоймощно-
801-899-(7^6= 10...99 В > стиР>5Вт;
901-999-^6= 100... 199 В J
четвертый элемент - буква, указывающая разновидность диодов
данной группы. Примеры обозначения: 2Д105А - кремниевый выпрями-
тельный диод; КС980А - высоковольтный стабилитрон большой мощно-
сти; АИ301Г - туннельный переключающий диод из арсенида галлия.
3. Обозначения диодов могут состоять из семи элементов [5]:
первый элемент - к вышеперечисленным Г(1), К(2), А(3) добавляется
И или 4 - соединения индия;
второй элемент - к вышеперечисленным А, В, Д, И, С добавляются
новые диоды, например Л - излучающие оптоэлектронные приборы;
третий элемент - цифра после двух букв.
Выпрямительные диоды:
1 - 7пР < 0,3 А; 2 - /пр > 0,3 А; 3 - прочие диоды.
Импульсные диоды с не более (нс):
4 - > 500; 5 - 150+500; 6 - 30+150; 7 - 5+30; 8 - 1+5; 9 - < 1 нс.
СВЧ-диоды:
1 - смесительные, 2 - детекторные, 3 - усилительные, 4 - парамет-
рические, 5 - переключательные, 6 - умножительные, 7 - генераторные,
8 - прочие.
Туннельные диоды:
1 - усилительные, 2 - генераторные, 3 - переключательные, 4 - об-
ращенные.
80
Излучающие приборы:
1,2 - инфракрасные светодиоды и модули (2), 3 - светодиоды,
4 - знаковые индикаторы.
Четвертый, пятый и шестой элементы (цифры) показывают порядко-
вый номер разработки и обозначаются числами от 01 до 999. Для стабили-
тронов (С) четвертый и пятый элементы означают напряжение стабилиза-
ции, шестой элемент - последовательность разработки с обозначениями от
А до Я.
Седьмой элемент - буква от А до Я, определяющая классификацию
по параметрам.
81
Глава 5.
БИПОЛЯРНЫЙ БЕЗДРЕЙФОВЫЙ
ТРАНЗИСТОР
5.1. Устройство и принцип действия
Устройство. Биполярный транзистор - это полупроводниковый при-
бор, основу которого составляют два взаимодействующих р-п перехода,
образованные в едином кристалле полупроводника и разделенные очень
узкой областью взаимодействия, называемой базой. Транзистор является
одним из самых распространенных полупроводниковых приборов. Он ши-
роко используется и как усилительный, и как переключающий элемент, т.е.
является универсальным элементом электронных схем. В настоящее время
промышленностью выпускается множество всевозможных типов транзи-
сторов с мощностью рассеяния от десятков милливатт до десятков ватт и с
рабочими частотами от низких, звуковых частот до сверхвысоких частот
(СВЧ). На рис. 5.1,а показана упрощенная структура и условное обозначе-
ние транзистора р-п-р, а на рис. 5.1,6 - транзистора п-р-п. Транзисторы
р-п-р и п-р-п различаются только порядком чередования типов проводимо-
сти областей транзистора. Принцип их работы одинаков, но полярности
внешних источников напряжений и направления протекания токов транзи-
стора п-р-п противоположны полярностям и направлениям протекания то-
ка транзистора р-п-р. Это обстоятельство намного расширяет возможности
транзисторов, позволяет создавать оригинальные схемы.
а
б
Рис. 5.1
82
При дальнейшем рассмотрении за основу принят р-п-р транзистор.
Полученные при этом все выводы и соотношения будут справедливы и для
п-р-п транзистора с учетом его полярностей.
Конструктивно транзистор состоит из эмиттера (левая ^-область),
эмиттерного р-п перехода, коллектора (правая /^-область), коллекторного р-
п перехода и узкой базы («-область между переходами). Эмиттерная об-
ласть имеет внешний эмиттерный вывод Э, образующий невыпрямляющий
контакт с эмиттерной областью. Коллекторный вывод К и базовый вывод Б
образуют невыпрямляющие контакты с коллекторной и базовой областями
(на практике часто внешние выводы называют соответственно эмиттером,
коллектором и базой). Следует иметь в виду, что структуры, показанные на
рис. 5.1, ни в коей мере не отражают ни реальные размеры, ни соотноше-
ния размеров областей. Реальная структура сплавного транзистора (в уве-
личенном виде) показана на рис. 5.2,д. На рис. 5.2,6 приведена структура (в
увеличенном виде) планарного п-р-п транзистора, характерного для инте-
гральной технологии. Технологические аспекты получения транзисторов и
микросхем будут рассмотрены в главе 8. Кристалл полупроводника с тран-
зисторной структуройр-п-р помещается в герметический корпус. Внешние
выводы изолируются от корпуса. Один из выводов, чаще коллекторный,
для улучшения теплоотвода соединяется с корпусом.
Рис. 5.2
Принцип действия. Каждый из р-п переходов транзистора может
быть смещен в прямом либо обратном направлении. В зависимости от по-
лярности смещений двух переходов возможны четыре режима транзисто-
ра. Однако основным является активный (усилительный) режим, при кото-
ром эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллектор-
ный - в обратном. Ниже подробно описан активный режим транзистора.
Другие режимы будут рассмотрены в соответствующих разделах курса. На
рис. 5.3 крупным планом показано стационарное распределение потоков
83
подвижных носителей в транзисторе в активном режиме и распределение
потенциалов в кристалле в направлении эмиттер - коллектор. При этом уч-
тены только основные потоки носителей, обусловленные взаимодействием
переходов и определяющие сущность транзистора. Но следует иметь в ви-
ду, что каждый переход сохраняет полностью и свойства отдельного пере-
хода, рассмотренные в предыдущих главах. Поэтому, кроме указанных на
рис. 5.3, имеются еще потоки носителей, обусловленные свойствами р-п
переходов, на которые будем обращать внимание по мере необходимости.
В активном режиме в транзисторе происходят следующие основные про-
цессы.
Инжекция. В транзисторе р-п переходы выполняют несиммет-
ричными, даже односторонними (рр » и„). Поэтому можно принять, что
через эмиттерный переход, смещенный в прямом направлении, имеет ме-
то только движение потока дырок из эмиттера в базу (диффузия дырок
чрез пониженный потенциальный барьер эмиттерного перехода) - инжек-
ция дырок в базу. Величина тока эмиттера определяется величиной сме-
щения иЭв и прямой ветвью вольт-амперной характеристики диода, т.е.
84
при малом смещении (десятые доли вольта) ток эмиттера достигает вели-
чины в десятки и сотни миллиампер.
Диффузия в базе. В равновесии база нейтральна по всей ширине и
электрического поля в базе нет. Потенциал по всей ширине базы одинаков,
и на диаграмме он принят равным нулю, поэтому транзистор называется
бездрейфовым. Инжектированные дырки в базе являются неосновными
носителями. Концентрация равновесных неосновных носителей р„ в базе
невелика,и инжектированные дырки значительно увеличивают концентра-
цию неосновных носителей - дырок - в базе на границе с эмиттерным пе-
реходом, т.е. имеет место процесс возмущения неосновных носителей (см.
подраздел 1.5 «Неравновесная концентрация носителей»).
Появляется градиент концентрации дырок в базе и начинается диф-
фузия инжектированных дырок от эмиттерного перехода в глубь базы, в
сторону коллекторного перехода. Повышенная концентрация дырок в базе
у эмиттерного перехода поддерживается за счет непрерывной инжекции из
эмиттера. В процессе диффузии большая часть инжектированных дырок
достигает границы коллекторного перехода. Движение инжектированных
дырок через базу имеет сложный направленно-хаотический вид, т.е. дыр-
ки, как подвижные частицы, совершают тепловые хаотические движения,
на которые накладывается направленное смещение под действием сил
диффузии. В целях улучшения направленного движения дырок в базе (от
эмиттера к коллектору) в ней создают электрическое поле, под действием
которого дырки направленно перемещаются (дрейфуют) к коллектору.
Транзисторы, у которых носители зарядов в базе перемещаются под дейст-
вием сил диффузии и электрического поля, называют дрейфовыми.
Экстракция дырок, ток коллектора. Коллекторный переход смещен в
обратном направлении, и его собственный обратный ток равен тепловому
току 7Ко- Однако инжектированные дырки, оказавшиеся в базе, на границе
коллекторного перехода подхватываются полем коллекторного перехода и
выбрасываются в область коллектора, где они являются основными носи-
телями. Этот процесс называют экстракцией. В результате этого коллек-
торный ток увеличивается сверх fKo, и теперь величина тока коллектора /к
определяется концентрацией продиффундировавших через базу инжекти-
рованных дырок, или током эмиттера. Таким образом, величина тока кол-
лекторного перехода, смещенного в обратном направлении, определяется
величиной тока близко расположенного эмиттерного перехода, т.е. ток
коллектора управляется током эмиттера. В этом заключается взаимодейст-
вие переходов, и в этом сущность транзистора. Все остальные потоки и
процессы носят сопутствующий характер.
Рекомбинация. Ток базы. Часть инжектированных дырок в процессе
диффузии в базе встречается с электронами и рекомбинирует. Рекомбини-
рующие дырки не достигают коллекторного перехода и не участвуют в
управлении коллекторным током. Вместо рекомбинированных электронов
85
в базу втекают электроны из внешней цепи по базовому выводу, образуя
ток базы. Величина тока базы /Б определяется интенсивностью рекомбина-
ции в объеме базы (направление токов во внешних выводах соответствует
принятому в электротехнике направлению движения положительных заря-
дов).
Токи в эмиттерной и коллекторной областях. Движение носителей
через эмиттерную и коллекторную области на большей части происходит
под воздействием слабого электрического поля в этих областях, создавае-
мого внешними источниками точно так же, как на это было указано при
рассмотрении диода. Эти потоки не оказывают влияния на работу транзи-
стора, и в дальнейшем они не рассматриваются.
5.2. Основные соотношения для токов.
Коэффициент передачи тока
Из рассмотрения принципа действия транзистора следует, что ток
коллектора составляет лишь часть тока эмиттера (/э разветвляется на два
тока: /к и /Б):
1э = 1к + 1ъ (5.1)
Отношение тока коллектора к току эмиттера
а = К (5.2)
7э
называют коэффициентом передачи тока. Коэффициент а отражает эф-
фективность взаимодействия р-п переходов в транзисторе и количественно
равен доле инжектированных эмиттером дырок, достигших коллекторного
перехода. Равенства (5.1) и (5.2) выполняются при любых режимах тран-
зистора, т.к. они отражают основные процессы в транзисторе. Из этих ра-
венств вытекает и условие для тока базы:
/в=7э-/к = 7э(1-а). (5.3)
Качество транзистора тем лучше, чем меньше дырок рекомбинирует
в базе и чем больше их достигает коллектора, т.е. чем ближе к единице ко-
эффициент а. Для уменьшения интенсивности рекомбинации базу делают,
по возможности, очень тонкой, чтобы толщина базы W была много меньше
средней длины диффузии неосновных носителей в базе:
W«L.
(5.4)
86
Теория транзистора устанавливает непосредственно связь величины
а с величинами L и W [2]:
Это выражение при выполнении (5.4) может быть упрощено (разложением
в ряд) и представлено в более удобном для практического использования
виде:
а0=у
z \2
J
(5-5)
Коэффициент у, называемый коэффициентом инжекции, представля-
ет отношение дырочной составляющей тока эмиттера к полному току
эмиттера:
Как правило, он близок к единице. В дальнейшем он всегда принимается
равным единице.
Современная технология позволяет изготовлять транзисторы с ши-
риной базы в единицы (и доли) микрометра и с коэффициентом а, равным
0,95-0,99. Ток базы (т.е. ток рекомбинации) при этом составляет (0,05-
-0,001)/э.
Возможность усиления тока транзистором. Хотя ток коллектора
меньше тока эмиттера (а < 1), но именно процесс управления током кол-
лектора при помощи тока эмиттера лежит в основе усиления. На возмож-
ность усиления указывает уже то обстоятельство, что в цепи эмиттера ток
протекает при очень малом напряжении (десятые доли вольта), а в коллек-
торной цепи напряжение на порядок больше и мощность в коллекторной
цепи может значительно превышать мощность в эмиттерной цепи. Реаль-
ные усилительные схемы наряду с транзисторами содержат ряд других
элементов (резисторы, конденсаторы и др.) и являются более сложными
устройствами. Они будут подробно рассмотрены далее.
Неучтенные потоки носителей. Кроме рассмотренных основных по-
токов носителей имеют место потоки носителей, не влияющие на величину
тока коллектора, т.е. не участвующие во взаимодействии:
1. Ток инжекции из базы в эмиттер. При прямом смещении эмитгер-
ного перехода происходит также инжекция электронов из базовой области
в эмиттерную. В эмиттерной области эти электроны рекомбинируют с
дырками. Уход электронов из базы восполняется через базовый вывод, т.е.
87
инжекция электронов в эмиттер увеличивает ток базы. Инжекция электро-
нов учитывается коэффициентом инжекции у в (5.5). Чтобы у был близок к
единице, эмиттерный переход выполняют односторонним: концентрация
дырок в эмиттере намного превышает концентрацию электронов в базе
(рР » п„).
2. Токи поверхностной рекомбинации. Процессы рекомбинации на
поверхности могут приводить к появлению эмиттерных токов поверхност-
ной рекомбинации. Для уменьшения этого тока, а также тока утечки по-
верхность полупроводников тщательно обрабатывают (полируют, травят и
т.д.), а площадь коллектора делают значительно больше эмиттера, чтобы
коллектор перехватывал весь поток дырок.
3. Ток рекомбинации дырок у базового вывода. Инжектированные
дырки, оказавшиеся в результате у базового вывода, рекомбинируют с
электронами, увеличивая ток базы. Чтобы уменьшить или даже исключить
этот ток, базовый вывод располагают настолько далеко от эмиттера, что до
него дырки практически не доходят.
4. Обратный ток коллекторного перехода 7Ко. Этот ток увеличивает
коллекторный ток. Однако он мал и очень мало изменяется.
5.3. Три схемы включения транзистора
Как элемент электрической цепи транзистор может быть включен
по-разному. В зависимости от того, какой из внешних выводов является
общим для входной и выходной цепей, возможны три схемы включения
транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим кол-
лектором (ОК). Основные свойства транзистора определяются соотноше-
ниями токов и напряжений в выходных и входных цепях.
б
Рис. 5.4
В этом отношении каждая из схем включения транзистора имеет
свои особенности.
Схема с общей базой (ОБ) приведена на рис. 5.4,а. Входным током в
этой схеме является ток эмиттера Ь, выходным - ток коллектора /к. Не-
88
трудно заметить, что принцип действия транзистора был рассмотрен на
примере схемы ОБ. Поэтому для ОБ целиком справедливы все полученные
ранее соотношения. С учетом теплового тока и основных соотношений
(5.1) и (5.2) в активном (усилительном) режиме связь выходного токае
входным может быть представлена в следующем виде:
Лых _ Лс _ а/э + ^Ко
^вх Дэ
(5-6)
Выходной ток меньше входного, т. е. схема ОБ не может усиливать ток. Но
возможно многократное усиление напряжения, только реализуется эта
возможность в более сложных схемах - усилительных каскадах, которые
будут рассмотрены далее. Схема ОБ используется редко.
Схема с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. 5.4,6. Входным
является ток базы, выходным - ток коллектора.
^вых _ _ о
Лх 4
Отношение тока коллектора к току базы называют коэффициентом
усиления тока базы.
Из основных соотношений (5.1) и (5.2) токи
7К = а^э > = G ~ аХэ •
Тогда коэффициент усиления тока базы р может быть выражен через
основной коэффициент передачи тока а:
Р = т^-
1-а
(5.7)
Для приведенных выше значений а = 0,95...0,99 коэффициент
Р = 20...100. Таким образом, в схеме ОЭ происходит многократное усиле-
ние тока (Р » 1), в отличие от схемы ОБ, в которой выходной ток меньше
входного (а < 1). В схеме ОЭ возможно также многократное усиление на-
пряжения, но тоже в усилительных каскадах. Но такой результат получил-
ся лишь потому, что за входной ток в схеме ОЭ принят ток базы. Все про-
цессы в транзисторе при этом остаются неизменными, в частности при из-
менении прямого напряжения на эмиттерном переходе происходит инжек-
ция в базу, затем - диффузия, экстракция и т.д.
В выходной цепи схемы ОЭ включены последовательно коллек-
торный и эмиттерный переходы, поэтому выходное напряжение равно
сумме напряжений на этих переходах, а неуправляемый ток коллектора /к,
89
(при /Б = 0) значительно больше, чем /«<> в схеме ОБ. Это объясняется тем,
что ток /к, возникающий в коллекторном переходе, как и в схеме ОБ, сей-
час (в схеме ОЭ) протекает последовательно еще через эмиттерный пере-
ход в прямом направлении, что неизбежно вызывает понижение потенци-
ального барьера, инжекцию дырок из эмиттера в базу, диффузию их к кол-
лектору и экстракцию, т.е. увеличение тока коллектора сверх 7Ко за счет
взаимодействия с эмиттерным переходом.
Количественно величина I Ко легко находится из (5.6) при оборван-
ной базе (4 = 0). При этом остается одна цепь, в которой токи на всех уча-
стках одинаковы и приняты за /Ко (IK = fKo, 1э = /*к0):
I Ко “ а/*Ко Л<о*
Из этого равенства легко найти связь неуправляемого тока 7*Ко с а
и/Ко:
^о=/коГ^ = 4о(1 + ₽)- (5-8)
1-а
С учетом неуправляемого тока /*к„ для схемы ОЭ выходной ток мо-
жет быть записан в следующем виде:
/К=₽Л+4>- (5.9)
Схема ОЭ используется очень широко. Она является основной схе-
мой включения транзистора в электронных устройствах.
Схема с общим коллектором (ОК) приведена на рис. 5.4,в. Входным
является ток базы 1Ъ, выходным - ток эмиттера 1Э. Отношение выходного
тока к входному мало отличается от аналогичного отношения схемы ОЭ:
Лых _£э_= 1 =1 + В
Лх h 1-а
Неуправляемый ток имеет то же значение ГКо, т.к. при /Б = 0 цепь
протекания тока остается прежней. Для схемы ОК выходной ток /э может
быть записан в следующем виде:
/э=(1 + 0)/Б+/ко- (5.10)
В схеме ОК выходное напряжение почти равно входному (за выче-
том прямого напряжения на эмиттерном переходе). Схема ОК не может
усиливать напряжение, но многократно усиливает ток. Эта схема исполь-
зуется редко.
90
5.4. Статические характеристики транзистора
Взаимозависимость токов и напряжений на входе и выходе транзи-
стора может быть выражена семействами статических характеристик. №
всех возможных характеристик наибольшее распространение получили
входные и выходные характеристики. Из них могут быть получены все
сведения, необходимые для практического использования транзисторов.
Статические характеристики в схеме ОБ. Выходные (или коллек-
торные) характеристики представляют зависимость тока коллектора от на-
пряжения коллектора при постоянном токе эмиттера:
^К )i/g=const
На рис. 5.5,а приведены выходные характеристики маломощного
транзистора. Для транзистора р-п-р типа ток 7к и напряжение С7кб отрица-
тельны, для транзистора п-р-п типа - положительны. Однако характери-
стики принято изображать в первом квадранте для обоих типов без учета
полярности токов и напряжений. Каждая выходная характеристика - это
обратная ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного р-п перехо-
да, смещенная на величину а/э, и в соответствии с (5.6) ток /к не зависит
от напряжения 1/Кб. Практически же ток коллектора немного увеличива-
Рост тока коллектора с ростом напряжения обусловлен модуляцией
толщины базы (эффектом Эрли). Модуляция толщины базы - уменьшение
толщины базы при увеличении напряжения на коллекторном переходе,
91
смещенного в обратном направлении. Ширина коллекторного перехода
увеличивается при увеличении [/КБ. Расширение коллекторного перехода
идет в основном в сторону базы и уменьшает ее толщину. Уменьшение вы-
зывает ряд дополнительных явлений, одним из которых является увеличе-
ние, в соответствии с (5.5), коэффициента а (при этом уменьшается доля
рекомбинированных в базе дырок). Увеличение а и обусловливает рост
тока коллектора (наклон характеристик) при увеличении (7КЬ. Наклон вы-
ходных характеристик учитывают введением дифференциального сопро-
тивления коллекторного перехода параллельно коллекторному переходу.
(5.Н)
Величина а при этом считается не изменяющейся. Усредняя гк, можно ха-
рактеризовать семейство выходных характеристик ОБ достаточно строгим
соотношением [3]:
/к =а/э+/Ко+°Х (5.12)
На практике последний член в (5.12) часто не учитывают (из-за его
малости) и пользуются упрощенным выражением (5.6).
Пример 5.1. Вычислить величину гк по построениям приращений на
рис. 5.5.
„ At/KR
Решение: гк =----—
К AZ,
К /э=|2мА
10 В
0,1 мА
= 100 кОм.
At/кв = 14 В-4 В = 10 В. Л/к«0,1мА.
Особенностью выходных характеристик ОБ является сохранение то-
ка неизменным при уменьшении t/Kb до 0. При этом экстракция всех по-
дошедших к коллекторному переходу дырок осуществляется внутренним
полем перехода (потенциальным барьером) и ток коллектора не уменьша-
ется. Уменьшить ток /к до нуля можно, только изменив полярность напря-
жения L/кв, как показано пунктиром на рис. 5.5,а.
Входные (или эмиттерные) характеристики представляют зависи-
мость тока эмиттера от напряжения эмиттера при постоянном напряжении
на коллекторном переходе:
У(^ЭБ ^£/кБ =const ’
На рис. 5.5,5 приведены входные характеристики маломощного
транзистора. При СТкв = 0 входная характеристика - это прямая ветвь
вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. При увеличении
напряжения (7КБ входные характеристики смещаются в сторону оси тока А,.
92
Одной из причин этого смещения является та же модульная ширина базь..
которая при постоянном токе эмиттера приводит к уменьшению напряже-
ния С/ЭБ, а при постоянном //ЭБ - к увеличению Лэ- Ток /э и напряжение {/~
для р-п-р транзистора положительны.
Статические характеристики в схеме ОЭ. Выходные характеристик»,
представляют собой зависимость тока коллектора /к от напряжения межд'
коллектором и эмиттером £/кэ при постоянном токе базы:
^K КЭ )(/Б =const ’
На рис. 5.6,а приведены выходные характеристики ОЭ того же траь
зистора, что и на рис. 5.5,а. Это тоже обратные ветви коллекторного перь
хода, смещенные в соответствии с (5.9) на величину Р /б-
а
Рис. 5.6
б
Модуляция толщины базы в схеме ОЭ обусловливает больший на-
клон выходных характеристик, чем в схеме ОБ, по причине взаимодейс1,
вия с эмиттерным переходом: приращения тока коллектора проходят чере
эмиттерный переход, вызывают понижение потенциального барьера, ин-
жекцию дырок из эмиттера в базу, диффузию и, экстракцию. Результи-
рующее приращение будет больше первоначального в (I + Р) раз (точно таг
же, как /ко увеличивается до /*Ко = (1 + Р)/к0)- Следовательно, дифференци-
альное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ
Гк = Д//кэ /^К |/Б =const > (5.13
93
будет в (1 + Р) раз меньше, чем в (5.11):
С учетом наклона характеристик и усреднения г*к, выходные характери-
стики ОЭ могут быть описаны более строгим соотношением (подобным
(5.12) для ОБ):
/К=₽Л>+4>+^2-, (5-14)
Кр
где Гкср - усредненное значение сопротивления коллекторного перехода,
которое можно определить, экстраполируя коллекторные характеристики
транзистора (начиная с (7кэ = 0) (см. рис. 5.6,а).
г' =-----:---иКы-0 ---------= Лкэи (5.13")
ср ^к)|икэ=С/кэл (/к)|икэ=о 7кл 7 к
Пример 5.2. По приращениям на рис. 5.6 вычислить г*к при (7кэ =
= 12 В.
Решение: АС4э = 12В-6В = 6В, Д7к»0,5мА. = 6В/0,5 мА =
= 12 кОм.
Минимальное значение тока 7К, равное 1Ко, получается при токе базы,
равном -Zro, следовательно, при изменении тока базы от 0 до -7к0 транзи-
стор в схеме ОЭ управляется обратным током базы (эмиттерный переход
при этом остается смещенным в прямом направлении вследствие смеще-
ния входной характеристики), однако этот диапазон токов мал (между ха-
рактеристиками с /к = ZKo и 7К = I к0) и практическое значение его весьма
незначительно. На практике последним членом в (5.14) также иногда пре-
небрегают (но здесь это пренебрежение дает большую ошибку, чем в ОБ,
поэтому не всегда может быть принято) и используют упрощенное соот-
ношение (5.9).
Выходные характеристики ОЭ расположены полностью в первом
квадранте, и практически все характеристики проходят через нуль. Обу-
словлено это тем, что напряжение на коллекторном переходе всегда мень-
ше выходного 7/кэ на величину напряжения между базой и эмиттером Т/БЭ.
Поэтому нулевое смещение на коллекторном переходе, соответствующее
оси токов на рис. 5.5,a (J7KB = 0), достигается при ненулевом С/кэ, равном
по величине С/Бэ (Бвэ измеряется десятыми долями вольта). При нулевом
же выходном напряжении Lfa коллекторный переход оказывается уже
смещенным в прямом направлении (при этом оба перехода включены па-
раллельно) и появившийся ток инжекции коллекторного перехода направ-
94
лен встречно току экстракции. Результирующий ток /к при этом прак-
тически равен нулю. Ток 1К и напряжение С/кэ Для р-п-р транзистора отри-
цательны.
Входные характеристики ОЭ представляют собой зависимость тока
базы от напряжения между базой и эмиттером (УБЭ при постоянном выход-
ном напряжении Uv^'-
h =f^3)\UK3 =COnsf
На рис. 5.6,6 приведены входные характеристики того же транзис-
тора. По виду они аналогичны входным характеристикам ОБ (см. рис.
5.5,6). Входное напряжение ОЭ по величине равно входному напряжению
ОБ, лишь полярность его противоположная (С/БЭ = -С/эб)- Однако входной
ток ОЭ (7в) в (1 + Р) раз меньше тока /э- При увеличении напряжения t/K3
входная характеристика смещается в сторону оси напряжений. Одной из
причин этого смещения также является модуляция толщины базы. Ток /Б и
напряжение 1/БЭ для транзистора р-п-р отрицательны.
5.5. Предельные режимы (параметры)
по постоянному току транзистора
При работе транзистора постоянные токи и напряжения огра-
ничиваются предельными режимами, превышение которых приводит к бы-
строму выходу транзисторов из строя. В паспортных данных указываются
так называемые допустимые значения, которые определяются с запасом по
отношению к предельным режимам и гарантируют надежную работу тран-
зистора вплоть до допустимых значений. Основными ограничениями, тре-
бующими специального учета, являются:
С/КБ.Д0П, Б'кэдоп - максимально допустимые напряжения на коллекторе
в схемах ОБ и ОЭ, ограничиваются пробоем коллекторного перехода;
Ртп - допустимая мощность рассеяния (Ррас = /К'С/К), при которой
температура коллекторного перехода не превышает допустимой;
/клоп - максимальный допустимый ток коллектора, ограничиваю-
щийся площадью перехода Sncp и допустимой плотностью токаJ:
Ifc доп *^перУ*
Для кремниевых переходов j « 1 А/мм2. Для германиевых переходов
j « 0,5 А/мм2. Кроме того, /к доп ограничивается допустимой мощностью
рассеяния при заданном напряжении на коллекторе (1/КБ или £7кэ)-
95
5.6. Малосигнальные параметры и эквивалентные
схемы транзистора
Часто транзистор используется в таком режиме, когда токи и напря-
жения быстро изменяются на малую величину (А/, А (7) около значительно
большего постоянного значения (Z, U). При этом в активном режиме боль-
шое значение имеет реакция транзистора на эти малые приращения AZ, ДС7.
В большинстве случаев выполняется соотношение
Ы«1, &U«и.
Такой режим называют малосигнальным (или режимом малого сиг-
нала). С другой стороны, статические характеристики в общем нелинейны
и для постоянного тока транзистор является существенно нелинейным
элементом. Однако в некоторой части характеристики могут быть пред-
ставлены отрезками прямых. Это означает, что для не очень малых прира-
щений (изменений) токов /V и напряжений At/ транзистор можно считать
линейным элементом, свойства которого описываются малосигнальными
параметрами. Для малых приращений транзисторы могут быть представ-
лены линейными эквивалентными схемами, которые широко используются
для анализа и расчета схем на транзисторах. При дальнейшем рассмотре-
нии транзисторов и транзисторных схем следует всегда различать свойства
транзистора по отношению к малым приращениям Л-U (малым сигна-
лам) и свойства транзистора по отношению к постоянному току I и напря-
жению U. Эти свойства существенно отличаются, поэтому малосигналь-
ные параметры нельзя применять для анализа и расчета режима по посто-
янному току, и наоборот. На практике используются две разновидности
малосигнальных параметров:
1. Внутренние параметры транзистора, учитывающие физические
процессы в транзисторе.
2. Четырехполюсниковые параметры транзистора, учитывающие
лишь внешние свойства транзистора, проявляющиеся во взаимодействии с
другими элементами.
Обе эти разновидности имеют свои преимущества и недостатки, ни
одна из них не обладает решающими преимуществами, обеспечивающими
монопольное применение. Практически обе разновидности равноправны и
обе используются как в практических расчетах, так и в учебной литерату-
ре. Поэтому необходимо знать обе системы параметров.
Внутренние параметры. Достаточно полно физические процессы ак-
тивного режима в транзисторе для приращений отражают следующие па-
раметры:
1. гэ - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода,
смещенного в прямом направлении. Как и дифференциальное сопротивде-
96
ние диода, гэ может быть определено из входных характеристик по прира-
щениям (приближенно):
Д/э
^КБ =const
а также из теоретической вольт-амперной характеристики для эмиттерного
перехода (так же, как /?, в главе 4):
_[ dH3E | ~ Фт
3 d/3 L t ~ 1Э
\ -J =const j
(5.15)
Пусть /к ~ /> = 5 мА, (рт = 25 мВ. Из (5.15) гэ = 5 Ом.
На практике, как правило, г3 находится из (5.15).
2. ад - дифференциальный коэффициент передачи тока:
«д
d/K
а/э
(5.16)
^КБ =const
Пример 5.3. Вычислить а„, ад в точке А выходных характеристик ОБ
(см. рис. 5.5,а) с координатами 1КА = 11,8 мА, 1ЭА = 12 мА, (7кбл = 4 В.
Решение: аи=^к/ =1 /Z, = 0,98. АЛ, = (12 - 8) мА = 4 мА,
/ 1э /
А/кл = 3,9 мА, ад = 3,9/4,0 = 0,97. ад « а„.
Коэффициент ад отражает процесс диффузии инжектированных ды-
рок и управление коллекторным током. В общем случае коэффициент ад
из (5.16) отличается от коэффициента а из (5.2), который может быть на-
зван интегральным коэффициентом передачи тока (аи). Однако это разли-
чие в большинстве случаев несущественно, поэтому в дальнейшем разли-
чие между ними не будет учитываться, т.е. принимается ад « аи.
3. Гк - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:
_ ( dHKE
К I d/K J.
\ л //9=const
отражающее наклон выходных характеристик в схеме ОБ в связи с моду-
ляцией толщины базы и выведенное ранее, при рассмотрении статических
(выходных) характеристик в схеме ОБ, там же найдено гк= 100 кОм.
Величина гк находится в пределах от 100 кОм и более.
4. Гб - объемное сопротивление базы. Это обычное (омическое) со-
противление базового слоя протеканию тока базы к базовому выводу. Оно
зависит от размеров и удельного сопротивления базовой области и нахо-
91
дится в пределах 50-200 Ом (ток базы протекает вдоль тонкого слоя базы).
5. рэк - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению,
отражающий влияние коллекторного напряжения на эмиттерное в связи с
модуляцией толщины базы:
( dt/эв |
\ Kb J =const
Коэффициент Цэк мал: от 2-10'4 и менее. Знак минус означает, что увеличе-
ние С/кб (по модулю) уменьшает U-)i3. Ввиду малости ц-ж может не учиты-
ваться.
6. Ско - барьерная емкость коллекторного перехода, приводится в
справочниках для указанного там же напряжения (7к0- Для другого напря-
жения (7К емкость Ск(17к) вычисляется по формуле Ск =СКо • /С7К ,
где п = 2 для ступенчатого перехода, п = 3 для плавного перехода.
Т-образная эквивалентная схема. Т-образная эквивалентная схема с
внутренними параметрами для схемы ОБ приведена на рис. 5.7,а. Эта схе-
ма отражает физические процессы в транзисторе для малых приращений в
активном режиме и дает правильное соотношение при расчетах. Однако
эта эквивалентная схема совершенно непригодна для анализа режима по
постоянному току. Вместо приращений на эквивалентных схемах принято
приводить переменные составляющие малой величины U и i Иногда вме-
сто рэк U2 вводят добавочное сопротивление в цепь базы гБ", называемое
диффузионным сопротивлением базы, такой величины, чтобы на гБ" выде-
лялась часть напряжения {./2, равная цЭк иг. Однако при этом необходимо
уменьшать величину гэ> чтобы не изменилось входное сопротивление
транзистора. Ввиду малости Цэк> а также для максимального упрощения
эквивалентной схемы и расчетов по ней (что, на наш взгляд, является бо-
98
лее важным фактором) в дальнейшем ни генератор Цэк t/z, ни гб" в эквива-
лентные схемы вводиться не будут. •>
На рис. 5.7,6 приведена Т-образная эквивалентная схема для схемы
ОЭ. Элементы схемы те же, что и на рис. 5.7,а. Генератор обратной связи
уже не включен в схему. В связи с тем, что входным током является /Б, ге-
нератор тока в выходной цепи a is заменен на равноценный ему генератор
тока р /Б.
Сопротивления гк*, гк связаны соотношением (5.13), а емкости С'к,
Ск - соотношением
С*к = Ск(1+р). (5.17)
К недостаткам Т-образной эквивалентной схемы относят невозмож-
ность непосредственного измерения внутренних параметров (точка Б’ на-
ходится внутри базовой области). Однако, как показано ниже, определение
внутренних параметров не вызывает затруднений.
Рис. 5.8
Упрощенные эквивалентные схемы. В большинстве практических
схем сопротивления гк , гк могут не учитываться. Кроме того, при работе
транзисторов на низких частотах могут не учитываться и емкости коллек-
торного перехода С к, Ск- Упрощенные эквивалентные схемы приведены
на рис. 5.8.
5.6.1. Зависимость внутренних параметров
транзистора от режима и от температуры
Зависимость от режима. Режим определяется током /э и напря-
жением Uk- От величины 7Э и С7К зависят все внутренние параметры. Одна-
ко некоторые зависят слабо (гБ, гк), да и роль самих параметров в работе
транзисторов не одинакова. Поэтому при практическом применении тран-
зисторов достаточно учитывать лишь зависимости, существенно влияю-
щие на работу транзистора. Таковыми являются: гэ (/-^ - зависимость
дифференциального сопротивления эмиттерного перехода, которая отра-
99
жена формулой (5.15) и представлена на рис. 5.9,а; а (/>) - зависимость ко-
эффициента передачи тока а от тока !>. В настоящее время нет точного
объяснения этой зависимости. В основе ее лежат многие неучтенные в тео-
рии процессы. Экспериментальная зависимость представлена на рис. 5.9,а
графиком [3 (/-j). Вид кривых Р (/э) существенно различен для разных типов
транзисторов. Общим для всех транзисторов является возрастание коэф-
фициента усиления с увеличением на участке I. При этом даже для ма-
ломощных транзисторов участок I может занимать интервал от десятых
долей миллиампера у одних транзисторов до десятков миллиампер у дру-
гих транзисторов, а для мощных транзисторов - до сотен миллиампер.
На участке II около максимального значения ртах коэффициент из-
меняется мало. Этот участок также неодинаков для разных типов транзи-
сторов и может охватывать интервал токов /ртах от единиц до десятков
миллиампер для маломощных транзисторов и до сотен миллиампер для
мощных транзисторов.
Затем с увеличением тока /-> происходит монотонное уменьшение
коэффициента р вплоть до весьма малых значений.
Зависимость от температуры. Температурные влияния на диод, рас-
смотренные в главе 4, целиком имеют место и в транзисторе. В частности,
обратный ток коллекторного перехода /Ко возрастает в соответствии с вы-
ражением (3.11)
>-20
(^Ко)> =(^Ко)20°С '2 10 ,
а входная характеристика изменяется так же, как прямая ветвь диода, т.е.
прямое напряжение при увеличении температуры уменьшается на
100
2 мВ/град, т.к. ТКН » -2 мВ/град. От температуры зависит также величина
всех внутренних параметров, но наиболее существенными, требующими
обязательного учета (наряду с учетом /Ко и ТКН входной характеристики),
являются:
Р(Т) - зависимость коэффициента усиления тока базы от температу-
ры, представленная экспериментальным графиком на рис. 5.9,6 (прибли-
женно можно считать, что Р изменяется на 0,5 % на 1 град, изменения тем-
пературы);
гэ(7) - зависимость дифференциального сопротивления эмиттера от
КТ фт-
температуры. В соответствии с (5.15) гэ =--------= —!—, она динеина
Ч
(рис. 5.9,6).
Зависимости 3(7), /ко(7), гэ(Т) и ТКН входной характеристики назы-
вают прямым влиянием температуры на свойства транзистора.
---------1 = 20 °C
а
Рис. 5.10
Рост коэффициента Р и тока Ко приводят к существенному из-
менению выходных-(и входных) характеристик (рис. 5.10). Но изменение
тока коллектора (при постоянном /Б) с изменением температуры, в свою
очередь, вызывает уже режимные изменения параметров, которые называ-
ют косвенным влиянием (через режимное влияние) температуры, т.к. пер-
вопричиной их является температура. Результирующее влияние темпера-
туры будет складываться из прямого и косвенного.
101
5.6.2. Четырехполюсниковые Л-параметры транзистора
и эквивалентная схема с /«-параметрами
Четырехполюсниковые /«-параметры транзистора получены на осно-
ве теории четырехполюсников, согласно которой любую линейную систе-
му с неизвестной структурой (часто называемую «черным ящиком») мож-
но представить четырехполюсником с параметрами, отражающими взаи-
модействие «черного ящика» с другими элементами. Ценным в этой тео-
рии является то, что параметры четырехполюсника («черного ящика») мо-
гут быть определены по внешним измерениям, в частности по опытам хо-
лостого хода и короткого замыкания на входе и выходе четырехполюсни-
ка. Из всех возможных взаимосвязей входных и выходных величин четы-
рехполюсника для транзисторов более подходящей является смешанная
система, в которой за независимые принимаются входной ток 1} и выход-
ное напряжение U2 (рис. 5.11,а). Величины U\, 12 - это функции первых
двух величин:
1 1 27 (5.18)
/2=/2(/,;t/2).
Для полных значений токов и напряжений транзистор является не-
линейной системой и уравнения (5.18) определяют координаты точки на
статических характеристиках.
а б
Рис. 5.11
Малые приращения токов Д/ для линейных участков характеристик
связаны линейной зависимостью с приращениями Д£7:
ДЦ,
а/, 1 ди. 2
+ ^2 А//
2-дц ^+dU;'SU2-
(5.19)
Производные, являющиеся коэффициентами в системе линейных
уравнений (5.19), обозначают /ц,, hl2, h2h h22 (читаются А-один-один,
й-один-два и т.д.).
102
Заменяя приращения малыми переменными составляющими щ, ц, uj,
/2, можно вместо (5.19) записать общепринятую малосигнальную систему
уравнений транзистора с ^-параметрами, соответствующую линейному че-
тырехполюснику (рис. 5.11,6):
И] =йи -Zi +Л|2 -и2,
г2 = ^21 ' г1 + ^22 ’ и2 •
(5.20)
Коэффициенты в (5.20), называемые /г-параметрами, имеют следую-
щий смысл:
йп - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе,
5
_ 4 _ U 2 =const
/г 12 - коэффициент обратной связи по напряжению при холостом хо-
де на входе,
АС/,
AU2
=const
h2i - коэффициент передачи тока в прямом направлении при корот-
ком замыкании на выходе,
А/2
А/,
U 2 =const
h22 - выходная проводимость при холостом ходе на входе,
/] =const
и определяются измерениями токов Л, i2 и напряжениями щ, и2 во внешних
выводах. Простота осуществления режимов короткого замыкания на выхо-
де (достаточно включить на выходе емкость не очень большой величины)
и холостого хода на входе (достаточно включить во входную цепь индук-
тивность не очень большой величины) по переменной составляющей (по-
стоянные составляющие при этом могут быть любые) обусловила преиму-
щественное использование Л-параметров из всех возможных (у-пара-
метров, z-параметров и др.).
Эквивалентная схема с /г-параметрами, соответствующая системе
уравнений (5.20), приведена на рис. 5.12. Направления токов соответству-
ют принятым в теории четырехполюсников. Эквивалентная схема одина-
кова для всех трех схем включения транзистора, но величины элементов
схемы (величины /г-параметров) будут разные. Поэтому для каждой схемы
включения /г-параметры снабжаются индексами: Б - для схемы ОБ, Э - для
схемы ОЭ, К - для схемы ОК. Например, /г||Б, hm и т.д.
103
В справочниках приводятся й-пара-
иетры для схемы ОБ или ОЭ, измеренные
типовом режиме транзистора на низкой
-астате (до 800 Гц). Пересчет й-парамет-
юв из одной схемы в другую произво-
дится по готовым формулам. Часть этих
юрмул приведена в табл. 5.1.
Й12И2
Рис. 5.12
Таблица 5.1
Формулы пересчета й-параметров
Пересчет hn Й12 Й21 Й22
Из схемы ОБ в схему ОЭ 1Б ~ ^12Б -^21Б ^22 Б
1 + Й21Б 1 + Й21Б 1 + Й21Б 1 +^21Б
Из схемы ОЭ в схему ОБ h\ 1Э Айэ - й|2Э “ ^21Э ^22 Э
1 + й21э 1 + Й21Э 1 + Й^э 1 + Й2(Э
Д/z — ‘/?2]
Если предполагаемый режим транзистора не соответствует типово-
му, то й-параметры должны быть определены заново в этом режиме.
Поскольку теоретический пересчет й-параметров из типового в вы-
бранный режим довольно сложен (зависимость й-параметра от режима
имеет сложный вид), производится непосредственное измерение й-пара-
метров в выбранном режиме. Приближенно й-параметры могут быть опре-
делены для любого режима по статическим характеристикам.
5.6.2.1. Определение й-параметров по статическим
характеристикам
Коэффициенты й2ь й22 определяются по выходным характеристикам,
Й, 1, йJ2 - по входным. На рис. 5.13,а указана точка А на выходных характе-
ристиках в схеме ОЭ, в которой нужно определить й-параметры.
104
Рис. 5.13
Режим точки А характеризуется токами /кл, Fa и напряжением L/кэ/ь
В соответствии с выражением (5.20) и пояснениями к нему параметры по
построениям на характеристиках определяются следующим образом:
Й21Э
^K3=const
РА
гБ4 - ;БЗ
уКЭЛ
^22Э
А/к
А^кэ
/g=const
ВС
АС
'’бл
Отрезки DA, ВС определены в соответствии с масштабами по оси то-
ков 1%, АС - по оси напряжений (7Кэ Отрезок АС параллелен оси напряже-
ний, отрезок А В лежит на оси, касательной к характеристике в точке А.
Коэффициенты hm, hn в той же точке А на входных характерис-
тиках ОЭ (режим точки А - 1М, Уъэа, UK3a), приведенных на рис. 5.13,6,
определяются следующим образом:
^нэ
А^бэ
А/б
АЕ\
t/jo =const
АЕ
А^кэ
/5 =const
Ц(Э2 ~^КЭ1 1ЪЛ
Отрезки АЕ и EF определяются с учетом масштаба по осям. Отрезок
АЕ параллелен оси напряжений, отрезок AF находится на касательной к
характеристике в точке А. В других схемах (ОБ и ОК) й-параметры опре-
105
деляются точно также, по соответствующим характеристикам, но нужно
сравнивать фактические направления токов с направлениями токов четы-
рехполюсников. В схеме ОБ, например, выходной ток 1К (для р-п-р транзи-
стора) противоположен току четырехполюсника, а входной ток /э совпа-
дает с г), поэтому й2|б отрицателен. Следует отметить также, что параметр
Л|2э определяется из характеристик с большой погрешностью в связи с ма-
лостью отрезков АЕ.
5.6.2.2. Связь между внутренними параметрами
и Л-параметрами
Поскольку внутренние параметры и /г-параметры отражают одни и те
же соотношения в транзисторе, то одни параметры должны однозначно
выражаться через другие.
На практике широко используются (например, для определения
внутренних параметров по справочным данным) следующие взаимоза-
висимости внутренних параметров и /г-параметров [2]:
а = -^21Б> Р = ^21Э> =7 ’ Гк = 7--->
«22Б "22Э (521)
гБ=^, Йиэ=гБ+гэ(1 + Р).
"22Э "22 Б
Сопротивление гэ практически всегда находят из (5.15) для любого
режима. Сопротивление гъ измеряют отдельно (т.к. выражение для гБ по-
лучено при пренебрежении цЭк)> или определяют из последней формулы в
(5.21), подставляя в нее найденные гэ и р = /г21э, или используют рекомен-
дации подраздела 5.6. (п. 4).
Дополнение. При использовании /г-параметров в расчётах и анализе
электронных устройств возможны существенные затруднения, связанные с
тем, что в реальных схемах, кроме транзистора, нагрузки RH и источника
сигнала er, Rn всегда имеется ещё ряд элементов. Теория четырёхполюсни-
ков учитывает только четырёхполюсник (с его /г-параметрами) - транзи-
стор, нагрузку RH и источник сигнала ег, Rr. Все остальные элементы схемы
нужно включать вместе с /г-параметрами транзистора в новый эквивалент-
ный четырёхполюсник. Нужно вычислять новые /г-параметры этого нового
эквивалентного четырёхполюсника, а затем в расчётах использовать новые
/(-параметры. Эта процедура делает невыгодным применение /г-пара-
метров: 1) процедура расчёта получается более трудной, чем при исполь-
зовании внутренних параметров, 2) механизма (методики) вычисления но-
вых /г-параметров просто нет в учебной литературе для нерадиотехниче-
ских специальностей.
106
Однако /i-параметры удобны для производственного контроля: мож-
но быстро производить их выборочное измерение. В паспортные данные
транзисторов вносят /i-параметры. Используя соотношение (5.21), можно
по /г-параметрам легко и быстро находить внутренние малосигнальные па-
раметры а, (3, гк,г к-
5.7. Частотные свойства транзисторов.
Дрейфовый транзистор
Полученные выше малосигнальные параметры транзисторов (как
внутренние, так и /i-параметры) лишь на сравнительно низких частотах не
зависят от частоты. С повышением частоты переменных составляющих
часть параметров становится частотно-зависимой (комплексной). Напри-
мер, для схемы ОБ частотная зависимость коэффициента передачи тока
а(со) заметна на частотах в сотни килогерц, а в схеме ОЭ частотная зави-
симость коэффициента усиления тока р(со) - на частотах в десятки кило-
герц. Зависимость параметров от частоты является одним из основных
факторов, определяющих пригодность транзистора для использования в
том или ином электронном устройстве.
5.7.1. Частотно-зависимые параметры
С изменением частоты изменяются многие параметры. Поэтому
учесть одновременно все факторы, влияющие на частотные свойства тран-
зистора, крайне сложно, да и в этом нет необходимости. Достаточно учесть
лишь главные определяющие факторы. В диапазоне частот до сотен кило-
герц основное влияние на частотные свойства транзистора оказывают два
фактора: зависимость коэффициента а от частоты и барьерная емкость
коллекторного перехода.
Зависимость коэффициента а от частоты обусловлена диффу-
зионным механизмом движения дырок через базу. Например, если в мо-
мент ti задать скачком ток эмиттера Л7-> (рис. 5.14), то инжектированные
дырки не сразу окажутся у коллекторного перехода, а лишь через некото-
рое время, необходимое для прохождения базы диффузионным способом.
Время прохождения дырок через базу характеризуют средним уровнем
диффузии (или средним временем пролета носителей через базу). Из-за
различия в скоростях диффузии дырки достигнут коллекторного перехода
не одновременно (время диффузии каждой дырки будет отлично от сред-
него времени диффузии /д), поэтому ток коллектора будет нарастать до ус-
тановившегося значения аоА/э в течение некоторого времени. Это означа-
ет, что коэффициент а зависит от времени переходного процесса и дос-
107
тигает установившегося значения ао ,
только после окончания переходного ‘э
процесса установления новой неравно-
весной концентрации дырок по всей базе,
как показано сплошной линией на рис.
5.14. Если ток эмиттера вновь изменить jK
(уменьшить в момент t2), то ток коллек-
тора так и не достигнет установившейся
величины а0Л/э- Для переменных состав-
ляющих токов при увеличении их часто-
ты ток коллектора будет уменьшаться по
амплитуде при постоянной амплитуде гв
тока эмиттера и будет отставать от тока
эмиттера по фазе, аналогично тому, как
это показано для приращений на рис.
5.14. Переходную a(t) и частотную а(ю)
характеристики получают из операторно-
го изображения а(р), которое, в свою
очередь, определяют при решении уравнения непрерывности в базе тран-
зистора. Практически широко используют упрощенное операторное изо-
бражение [2]:
ао
1 + рта '
а(р) =
Рис. 5.14
(5.22)
Оригиналом (5.22) является переходная характеристика
а(0 = а0(1-е~'/та), показанная пунктиром на диаграмме тока iK (см. рис.
5.14) и несколько отличающаяся от реального переходного процесса. Час-
тотная характеристика а(<о) получается из (5.22) простой заменой операто-
ра р на/ш:
“а
или
1 + у/(2кта)
(5.23)
На рис. 5.15 приведена зависимость модуля от частоты:
1а(ш)|=-_^2=_,
71 + (гота)2
(5.23’)
108
построенная по (5.23')- Частотные свойства транзистора оцениваются гра-
ничной частотой <л>„, на которой коэффициент [<х| уменьшается в 72 раз. В
справочниках для транзисторов приводится граничная частота/, (Гц, кГц,
МГц), связанная с о>а известным соотношением:
оа 2л/„.
I а(со) I
а0
ао
77
Величину та, равную 1/соа,
называют постоянной коэффи-
циента а. Она равна среднему
времени диффузии [2]:
Таким образом, частотные
свойства транзистора определя-
сь й ются временем прохождения
рис gj5 дырок через базу, а параметр т0
является одним из важнейших
(столь же важным для транзистора, как среднее время жизни т).
Из совместного решения уравнений (5.7) и (5.23) получается зависи-
мость коэффициента усиления |3 от частоты:
$(«) = _₽0_ = __₽0__ Юр
ИЛИ Р(/) = ---07=Г:Д ? (5-24) 1+/Z- 1 + 7/(2лтр) /₽
где сор=юа(1-а) = 1^, (5.25) f =Л_ •/₽ 1 + р’ Т =-^ = (1 + Р)та. (5.26) н 1 - а
Из более строгого теоретического анализа следует [2], что пос-
тоянная тр (тр = 1/сор) близка по величине к среднему времени жизни т
тр « т. Граничная частота/ коэффициента усиления тока базы, как прави-
ло, в справочниках не приводится, а находится из (5.25).
109
Пример 5.4.
1. Пусть/, транзистора равна 2 МГц, найти/(.
f 2-Ю6
Решение: Согласно (5.25) /5 = ~ 20 кГц , т.е. уже на
частоте в 20 кГц величина I Р | уменьшится со 100 до 70 (в -J1 раза).
2. Для работы в схеме ОЭ необходим транзистор с /р > 50 кГц,
Р» 100. Выбрать транзистор с необходимой величиной/,.
Решение: Согласно (5.25) /о >(1 +р)/р =(100 + 1)-50 кГц «5 МГц .
Барьерная емкость Ск (Ск ). Проводимость емкости Ск (или Ск , см.
рис. 5.7) растет с повышением частоты, и на высоких частотах в цепь с ем-
костью Ск (Ск ) ответвляется заметная доля тока ZK в выходной цепи (ток /к
становится меньше тока аг'э или р/Б), что эквивалентно уменьшению коэф-
фициента усиления тока на высших частотах.
В эквивалентных схемах на высоких частотах используются ком-
плексные коэффициенты а(о), р(а>), а также включается емкость Ск (Ск ),
на что будет указано особо в соответствующих разделах курса.
5.7.2. Дрейфовый транзистор
От рассмотренного в предыдущих разделах бездрейфового транзи-
стора дрейфовый транзистор отличается только тем, что на протяжении
всей его базы существует внутреннее электрическое поле - от эмиттера
до коллектора (в базе бездрейфового транзистора поля нет). В базе дрей-
фового транзистора на инжектированные дырки (из эмиттера) действуют
одновременно и сила диффузии, и сила внутреннего электрического поля
(движение носителей тока под действием поля называют дрейфом, отсюда
и название транзистора - дрейфовый).
Поэтому время прохождения (пролета) базы инжектированными но-
сителями т в дрейфовом транзисторе значительно меньше, чем в бездрей-
фовом, а частотные свойства его лучше. В частности, граничная частота/,
дрейфовых транзисторов на порядок и более превышает граничную часто-
ту бездрейфовых транзисторов (табл. 5.2). Дрейфовые транзисторы обра-
зуют группу высокочастотных транзисторов.
Внутреннее электрическое поле в базе дрейфового транзистора обу-
словлено неравномерным распределением атомов примеси в базе в на-
правлении от эмиттера к коллектору, например для р-п-р транзистора кон-
центрация доноров уменьшается от эмиттера к коллектору. Из теоретиче-
ского анализа следует [2], что при экспоненциальном уменьшении концен-
трации доноров (рис. 5.16,а) напряженность внутреннего электрического
поля по всей базе одинакова. Именно такое (экспоненциальное) распреде-
ление получают при диффузионной технологии получения р-п переходов
по
(диффузионная технология рассмотрена далее). На рис. 5.16,6 показана
широко распространенная конструкция дрейфового транзистора. Базовый
слой п получают диффузией доноров из газовой среды (в вакууме, при вы-
сокой температуре) в глубь исходной пластины p-типа. Концентрация до-
норов максимальна на поверхности и-слоя и убывает в глубь пластины.
Коллекторный переход образуется внутри пластины в плоскости измене-
ния типа проводимости. Эмиттерный переход получают сплавлением.
Таблица 5.2
Параметры биполярных транзисторов
Наименование параметров Величина параметров транзисторов
КТ373А п-р-п планар. КТ315А п-р-п планар. 2Т861А р-п-р планар. ГТ7ОЗА р-п-р сплавн. КТ858А п-р-п сплавн. КТ839А п-р-п планар.
Режим | В +25 + 15 +80 -15 +200 +10
измерения | мА 1,0 1,0 1000 50 5 4-103
/Ко (+20"С), мкА 30 1 100 500 1000 10:i
АиЭ 200 30...120 40... 160 30...70 10 >5
/а (А), МГЦ 300 200 10 0,01 0,01 7,5
^АсЭдопэ В 30 90 90 20 400 1500
Л<дои> А 0,05 2 2 3,5 7 10
/доч, Вт 0,1 1 1 — 60 50
Ск, пФ 8 70 70 — — 240
Рис. 5.16
Ill
На рис. 5.17 показано рас-
пределение потенциала в транзи-
сторе в направлении от эмиттера
к коллектору в равновесии (без
внешнего смещения). Наличие
постоянного электрического поля
в базе обусловливает изменение
потенциала вдоль базы по линей-
ному закону. При подключении
внешних напряжений (смещений)
изменяются практически только
потенциальные барьеры в р-п пе-
реходах на величину внешних напряжений, как это было показано, напри-
мер, на рис. 5.13.
112
Глава 6.
ПОЛЕВЫЕ (УНИПОЛЯРНЫЕ)
ТРАНЗИСТОРЫ
Принцип действия полевых транзисторов совсем иной, чем рассмот-
ренных ранее биполярных транзисторов. Например, в протекании тока в
полевом транзисторе участвуют только основные носители одного знака
(полупроводник одного типа): только дырки или только электроны. Отсю-
да и термин «униполярный». С этой точки зрения рассмотренные ранее
транзисторы называют биполярными (в них используются полупроводни-
ки обоих типов). Далее, величина тока полевого транзистора управляется
электрическим полем (а не током эмиттера, как в биполярном транзисто-
ре). Отсюда происходит второе название - полевой транзистор. В этом от-
ношении у полевых транзисторов много общего с электронно-вакуумными
лампами.
Имеется несколько разновидностей полевых транзисторов:
1. Полевой транзистор (ПТ) с управляющим р-п переходом. Наибо-
лее простой вариант этой разновидности - унитрон (дискретный вариант) -
предложен В. Шокли ещё в 1952 г. В настоящее время название «полевой
транзистор» относят только к этой разновидности (для сокращения длин-
ного названия). Полевые транзисторы используют и в интегральных схе-
мах. Однако применение их ограничено из-за их невысокого быстродейст-
вия. Вместе с тем, рассмотрение простейшей модели ПТ - унитрона - су-
щественно упрощает понимание принципа действия более современных
ПТ.
2. Полевые транзисторы с изолированным затвором, получившие на-
звание МДП-транзисторов (МОП-транзисторов). МОП-транзисторы очень
широко применяются в интегральных схемах.
3. Полевые транзисторы со специфическими свойствами. Сюда отне-
сём МОП-транзисторы с плавающим затвором, двухзатворные МОП-
транзисторы, МНОП-транзисторы и полевые транзисторы с барьером
Шоттки (ПТШ), которые широко применяются в цифровых микросхемах.
113
6.1. Унитрон
Самой простой моделью унитрона является брусок кремния и-типа с
невыпрямляющими контактами на концах, в боковых поверхностях кото-
рого методом вплавления индия образованы два соединенных параллельно
р-п перехода, как показано на рис. 6.1,а.
Можно получить унитрон и вплавлением донора в брусок кремния
р-типа. В дальнейшем, для определенности, рассматриваются только поле-
вые транзисторы, выполненные из полупроводника и-типа. Интегральные
ПТ выполняются по типу рассмотренных далее МОП-транзисторов. Прин-
цип действия интегрального ПТ такой же, как и у унитрона. Вывод от р-
области р-п перехода (от капли индия) называют затвором 3, выводы от
невыпрямляющих контактов кремниевого бруска - истоком И (контакт, из
которого втекают в канал подвижные носители-электроны) и стоком С.
Рис. 6.1
Полевой транзистор (по аналогии с биполярным) можно включать в
схеме с общим истоком ОИ (аналогичен ОЭ), общим затвором ОЗ (анало-
гичен ОБ), общим стоком ОС (аналогичен ОК). На затвор подается обрат-
ное для р-п перехода напряжение. Величина тока стока /с будет опре-
деляться величиной напряжения между стоком и истоком Uc и со-
щютивлением канала (каналом называют область кремниевого бруска ме-
жду р-п переходами, отсюда еще одно название - канальный транзистор).
Условное обозначение такого транзистора и схема его включения с общим
стоком (ОИ) приведены на рис. 6.1,6. При увеличении обратного напря-
жения на затворе U3 (по отношению к истоку) р-п переход расширяется
преимущественно в сторону канала (брусок выбирается высокоомным),
пк показано пунктиром на рис. 6.1 ,а. Уменьшается поперечное сечение
114
канала, а сопротивление канала увеличивается, при этом ток в канале 1с
уменьшается. Такой режим называют режимом обеднения. Таким образом,
за счет изменения обратного напряжения на затворе U3 (за счет изменения
поля в р-п переходе) происходит управление током в канале /с (ток затвора
при этом равен обратному току р-п перехода /0). На рис. 6.2,а приведены
выходные (стоковые) статические характеристики унитрона, представ-
ляющие зависимость тока стока 1С от напряжения между стоком и истоком
Uc при постоянном напряжении на затворе (73:
/c=/(f/c)b3=C0nst-
На каждой характеристике .при увеличении напряжения Uc появ-
ляется почти горизонтальный участок (вправо от точки Н). Режим, соот-
ветствующий этому участку, называют режимом насыщения, а напряже-
ние Uc, с которого начинается насыщение, напряжением насыщения (7СН.
Насыщение обусловлено тем, что напряжение на р-п переходе не одинако-
во по длине перехода: у стока оно равно сумме U3 + Uc, у истока - только
напряжению на затворе U3. Значит, и расширение р-п перехода у стока
(вверху) больше, чем у истока (внизу), как показано пунктиром на рис.
6.1,а. При напряжении насыщения (точка Н) проводящий канал почти пе-
рекрывается р-п переходом у стока (образуется узкая горловина). Даль-
нейшее увеличение напряжения Uc почти не увеличивает тока, а приводит
к увеличению длины горловины (на которой и происходит дальнейшее
увеличение напряжения). В крутой части (влево от точки Н) ток 1с сильно
зависит от напряжения стока Uc (при малом токе 1С зависимость почти ли-
нейная) и все характеристики проходят через начало координат. При на-
пряжении на затворе, называемом напряжением отсечки, происходит пол-
ное перекрытие канала (смыкание р-п перехода) и ток в канале не протека-
115
ет. Кроме стоковых (выходных) ^спользуют еще затворно-стоковые ха-
рактеристики (характеристики прямой передачи), представляющие зави-
симость тока 1С от напряжения U3, при фиксированном напряжении стока
Uc- /с = ЦЦз) I ис = const> приведенные на рис. 6.2,6. Однако в большинстве
случаев информации, содержащейся в выходных характеристиках, бывает
достаточно и надобности в затворно-стоковых характеристиках не возни-
кает.
6.2. МОП-транзистор
По-настоящему широкое распространение полевые транзисторы по-
лучили лишь с появлением транзисторов с изолированным затвором. У та-
ких транзисторов затвор представляет собой металлический слой, изоли-
рованный от полупроводникового канала тонкой диэлектрической плен-
кой. В названии таких транзисторов (МДП-транзисторы) учтена их струк-
тура (металл - диэлектрик - полупроводник).
Наибольшее распространение получили кремниевые транзисторы,
диэлектриком в которых является окисел (двуокись кремния), так назы-
ваемые МОП-транзисторы (со структурой металл - окисел - полупровод-
ник) (см. рис. 6.3,а). Особенно широко МОП-транзисторы используются в
интегральных схемах ввиду простоты технологии их изготовления и малой
мощности потребления. Имеется две разновидности МОП-транзисторов:
со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В свою очередь,
каждый из них может быть как с каналом и-типа (n-канальный), так и с
каналом p-типа (р-канальный).
6.2.1. МОП-транзистор со встроенным каналом
На рис. 6.3,о приведена структура МОП-транзистора со встроенными
каналами и-типа и схема включения с общим истоком. Исток и сток такого
транзистора образованы сильно легированными /^-областями в относи-
тельно высокоомной подложке - кристалле p-типа. Между стоком и исто-
ком технологическими приемами создается тонкий канал и-типа с боль-
шим сопротивлением из-за малой толщины канала. Такой транзистор на-
зывают МОП-транзистором со встроенным каналом. Канал между стоком
и истоком покрыт пленкой диэлектрика - двуокиси кремния. На пленку
диэлектрика наносится металлическая пленка М, являющаяся затвором.
Длина канала составляет единицы мкм. Условное обозначение такого тран-
зистора и схема его включения ОИ показаны на рис. 6.3,6. При сильном
упрощении принцип действия такого транзистора можно объяснить так:
1. При отрицательном напряжении на затворе Сд (относительно ис-
116
тока) электроны «отталкиваются» электрическим полем от поверхности
(т.е. из канала) в глубь подложки, а дырки подходят из подложки к по-
верхности. Проводимость канала уменьшается. Такой режим называют
режимом обеднения (как в унитроне).
При некоторой величине отрицательного напряжения на затворе, на-
зываемом напряжением отсечки (7ОТС, и-канал исчезает совсем. Остаются
только сток и исток и '-типа и окружающая их подложка р-типа, с которой
сток и исток образуют два встречно включенных р-п перехода. Ток стока
при этом не протекает. Таким образом, МОП-транзистор со встроенным
каналом в режиме обеднения подобен унитрону, только ток затвора в нем
во много раз меньше.
2. При положительном напряжении на затворе электроны «вы-
тягиваются» полем из подложки (в подложке электроны - неосновные но-
сители) к поверхности, т.е. в канал. Электроны в канал поступают и из по-
луметаллических и’-слоев истока и стока. Дырки же «отталкиваются» по-
лем в глубь подложки. Проводимость канала при этом увеличивается. Та-
кой режим называют режимом обогащения (в унитроне он невозможен).
На рис. 6.4,а приведены статические выходные (стоковые) характеристики
МОП-транзистора со встроенным каналом и-типа. Они аналогичны харак-
теристикам унитрона с той лишь разницей, что МОП-транзистор со встро-
енным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме
обогащения. На рис. 6.4,6 показаны затворно-стоковые характеристики
(характеристики прямой передачи), отличающиеся от аналогичных ха-
рактеристик унитрона использованием положительных (77зи > 0) и отрица-
тельных (С/зи < 0) напряжений на затворе, соответствующих режимам обо-
гащения и обеднения соответственно.
117
Рис. 6.4
6.2.2. МОП-транзистор с индуцированным каналом и-типа
Этот транзистор отличается только тем, что при изготовлении не по-
лучают проводящего канала между истоком и стоком (рис. 6.5,а).
Обогащенный
л-типа
Обогащенный
р-типа
Сильно легированные области стока и истока и'-типа образуют с
подложкой p-типа два встречно включенных р-п перехода, поэтому ток
между стоком и истоком (/с) при С-;И < 0 протекать не может. Режим обед-
нения в этом транзисторе невозможен. При положительном напряжении
затвора t/3 под действием электрического поля электроны «вытягиваются»
из р-подложки и из областей истока и стока к поверхности под затвором, а
дырки отталкиваются в глубь подложки. При некотором положительном
118
напряжении затвора, называемом пороговым t/nop, на поверхности под за-
твором концентрация электронов превышает концентрацию дырок, т.е.
возникает (индуцируется) канал и-типа. Такой транзистор называют МОП-
транзистором с индуцированным каналом. Условное обозначение такого
транзистора и схема его включения показаны на рис. 6.5,5. При увеличе-
нии напряжения затвора сверх порогового: U3 > U„ap, проводимость канала
увеличивается, т.е. наступает режим обогащения. На рис. 6.6,а приведены
статические входные (стоковые) характеристики МОП-транзистора с ин-
дуцированным каналом. Основное отличие этих характеристик от преды-
дущих обусловлено тем, что МОП-транзистор с индуцированным каналом
может работать только в режиме обогащения (С/з > 0) и имеет параметр -
пороговое напряжение {7пор. На рис. 6.6,5 показаны затворно-стоковые ха-
рактеристики этого транзистора. МОП-транзисторы с индуцированным
каналом проще в изготовлении, т.к. отсутствуют технологические опера-
ции по «встраиванию» канала. Они более перспективны для применения в
микросхемах.
Рис. 6.6
6.3. Параметры и эквивалентная схема полевого транзистора
Полевые транзисторы характеризуются следующими основными па-
раметрами:
1) по постоянному току:
- напряжением отсечки Umc (унитрон, МОП-транзистор со встро-
енным каналом);
- пороговым напряжением С/пор (МОП-транзистор с индуцирован-
ным каналом);
- максимальным током стока Jcm!o;,
- максимальным напряжением стока t/ситах;
119
2) по переменному току (малосигнальные параметры):
- крутизной
„ Д/г I
S = —— \и с= const;
ДЕ/з1
- выходным сопротивлением
=7(7“1^з ='*)nst;
Л'с
- входным сопротивлением 7?вх;
- межэлектродными емкостями Сзи, С3с, ССц',
- граничной частотой f по крутизне.
Важнейшим малосигнальным параметром полевого транзистора яв-
ляется крутизна, отражающая усилительные свойства транзистора. По-
скольку затвор, окисел и канал образуют конденсатор (емкость затвора), то
при изменении напряжения затвора происходит перезаряд емкости С3 че-
рез сопротивление канала RK с постоянной заряда
т3 = С3 Ак .
Усредненное значение емкости Сз равно единицам и долям пикофа-
рады, усредненное значение сопротивления RK = 75 ... 300 Ом. При этом
управляющим напряжением С/3 на затворе является напряжение на емко-
сти. Значит, и ток стока будет изменяться вместе с напряжением (73. Од-
нако напряжение на емкости (73 является внутренней величиной, а напря-
жение затвора (73 (рис. 6.7,а) - внешней.
Рис. 6.7
По отношению к внешнему напряжению t/3 ток стока запаздывает.
Это явление в конечном итоге обусловливает зависимость крутизны от
частоты (комплексность крутизны):
S - S° т ~ т
1 + усот5
и определяет частотные свойства транзистора, т.е. его граничную частоту
120
fs определяется так же, как и fa, при этом уменьшается в >/2 раза (см.
рис. 5.15).
Низкочастотное значение крутизны и внутреннее сопротивление
R, определяются из выходных характеристик в выбранном режиме (5’(|, Я,
зависят от режима). *
Важнейшей особенностью полевого транзистора является очень вы-
сокое входное сопротивление Лвх, достигающее у МОП-транзисторов
Ю14Ом, а также малый коэффициент шума. Граничная частота обычных
МОП-транзисторов (с каналом длиной в 5—10 мкм) находится в пределах
100-300 МГц. У транзисторов с ультракоротким каналом (доли мкм)/ дос-
тигает 10 ГГц. У сплавных унитронов/. не превышает 500 кГц.
С учетом параметров по переменному току на рис. 6.7,6 пред-
ставлена упрощенная эквивалентная схема полевого транзистора для пе-
ременных составляющих. Часто входную цепь (из-за очень большого
входного сопротивления) не указывают, тогда схема приобретает простой
вид (см. рис. 6.7,6), аналогичный виду ламповой схемы. Емкость Со в вы-
ходной цепи является эквивалентной емкостью всех межэлектродных ем-
костей (Сэи, Сзс, Сс-и). В табл. 6.1 приведены параметры некоторых поле-
вых транзисторов. При более подробном анализе необходимо учитывать
влияние подложки на свойства МОП-транзистора, являющегося, по сути,
вторым затвором [2].
Таблица 6.1
Параметры полевых транзисторов
Тип транзистора /стах» мА в ^пор? в £/сИтах5 В S, мА/В Дате» нА Сзи, пФ Сзс, пФ
кшози 2 0,8+3,0 - 10 0,8+2,6 20 20 8
унитрон КП301Б, МОП 15 - 4,2 20 1,0 0,3 3,5 1,0
6.4. МОП-транзисторы со специфическими свойствами
Это - МОП-транзисторы, которые после специального воздействия
электрическим напряжением могут длительное время (иногда - годы) на-
ходиться во включенном состоянии, независимо от наличия или отсутст-
вия напряжения питания. В выключенное состояние они переводятся тоже
специальным внешним воздействием. Таковыми являются МНОП-транзис-
торы, транзисторы с «плавающим» затвором и двухзатворные МОП-тран-
121
зисторы (с «плавающим» и управляющим затворами). Сюда же относятся
и полевые транзисторы с барьером Шоттки.
6.4.1. МНОП-транзистор
Это - р-канальный (на подложке и-Si) МОП-транзистор с индуциро-
ванным каналом. В отличие от обычного МОП-транзистора у МНОП-
транзистора под затвором два слоя диэлектрика (рис. 6.8,а) - обычный
слой окисла толщиной несколько нм (< 5 нм), примыкающий к подложке
из и-Si, и слой нитрида (Н) кремния S3N4 толщиной несколько десятков нм
(до 0,1 мкм) между металлическим затвором и слоем окисла. Отсюда и
обозначение МНОП: металл (М), нитрид (Н), окисел (О), полупроводник
(П). Сопротивление слоя нитрида кремния значительно больше, чем со-
противление слоя окисла.
Рис. 6.8
Главная особенность МНОП-транзистора состоит в том, что величи-
на порогового напряжения [/пор у него зависит от величины и полярности
напряжения затвора Uj. На рис. 6.8,6 приведен график зависимости поро-
гового напряжения Спор от напряжения затвора С3. Может быть установле-
но либо низкое (-1,5 ... -4 В) пороговое напряжение С/пор, соответствую-
щее включенному состоянию, либо высокое (Спор ~ -20 В), соответствую-
щее выключенному состоянию.
Включение (программирование) МНОП-транзистора
Для установления низкого порогового напряжения С,1ор на затвор по-
дается положительный импульс напряжения с амплитудой 30-50 В дли-
тельностью в доли мс (до нескольких мс). Под действием электрического
поля большой напряженности электроны из подложки и-Si туннелируют
122
через тонкий слой окисла. Из-за очень высокого сопротивления слоя нит-
рида кремния электроны накапливаются (захватываются ловушками) на
границе раздела слоев нитрида и окисла. На границе раздела образуется
отрицательный заряд электронов, что в результате приводит к снижению
порогового напряжения до значения (7пор = -1,5 ... -4 В (см. рис. 6.8,6). Это
значение t/„op сохраняется при дальнейшем использовании транзистора в
режиме малых сигналов ({Д < ±10 В). В таком режиме МНОП-транзистор
ведет себя как обычный МОП-транзистор с индуцированным каналом
/>-типа. Это состояние сохраняется и при отключении напряжения стока
(17с) и напряжения затвора (1Д). Такому состоянию ставят в соответствие
нулевое значение сигнала в двоичной системе. А процесс называют про-
граммированием (нуля). Благодаря хорошим изоляционным свойствам ди-
электрических слоев накопленный отрицательный заряд (электронов) мо-
жет оставаться неизменным в течение нескольких тысяч часов [1], а вместе
с зарядом сохраняется и установившееся низкое значение порогового на-
пряжения 17пор.
Выключение (стирание) МНОП-транзистора
Для перевода МНОП-транзистора в выключенное состояние, экви-
валентное разомкнутому контакту, на затвор подается отрицательный им-
пульс напряжения с амплитудой -30 В. При этом электроны переходят в
подложку (n-Si), а на границе между диэлектриками под затвором (нитри-
дом и окислом) накапливается положительный заряд, что приводит к уве-
личению порогового напряжения до -20 В (17пор = -20 В). Теперь сигналы
U, = < ±10 В не могут вывести МНОП-транзистор из выключенного со-
стояния. Такой процесс называют электрическим стиранием (нуля), или
записью единицы, т.к. выключенное состояние ставят в соответствие еди-
нице в двоичной системе. Таким образом, МНОП-транзисторы имеют два
устойчивых состояния с различным пороговым напряжением и использу-
ются как однотранзисторные запоминающие элементы, сохраняющие ин-
формацию при отключении напряжения питания.
6.4.2. МОП-транзистор с плавающим затвором
Аналогичные свойства - быть включенным или выключенным дли-
тельное время - присущи и МОП-транзисторам с «плавающим» затвором
(рис. 6.9,а). Такие транзисторы иногда называют еще «лавинными» инжек-
ционно-зарядовыми МОП-транзисторами (ЛИЗМОП). Затвор в этих тран-
зисторах, выполняемый из молибдена или поликристаллического кремния
(поликремний - проводник), не имеет вывода и изолирован слоем окисла
SiO2. В исходном состоянии канал отсутствует. Сильнолегированные об-
123
ласти стока и истока и-типа образуют с подложкой p-типа (p-Si) два
встречно включенных р-п перехода. Ток между стоком и истоком проте-
кать не может, что эквивалентно разомкнутому контакту (выключенное
состояние).
Включение (программирование) ЛИЗМОП-транзистора
Для перевода ЛИЗМОП-транзистора во включенное состояние (для
программирования нуля) между стоком и истоком кратковременно вклю-
чают напряжение до 50 В, при котором происходит лавинный пробой сто-
кового р-п перехода. Дырки при пробое приобретают большую энергию,
достаточную для преодоления потенциального барьера на границе под-
ложка - окисел под затвором. В результате они попадают в окисел и про-
ходят к затвору. На затворе накапливается положительный заряд, который
своим электрическим полем индуцирует «-канал. Транзистор при этом пе-
реводится в проводящее (включенное) состояние, которое ставится в соот-
ветствие двоичному нулю (программируется нуль). Так как затвор изоли-
рован (окружен окислом со всех сторон), то положительный заряд на за-
творе и индуцированный им «-канал сохраняются в течение нескольких
лет (!) после окончания программирования (нуля). Столько же времени ос-
тается включенным и транзистор.
Выключение (стирание) ЛИЗМОП-транзистора
Для удаления накопленного положительного заряда с «плавающего»
затвора кристалл облучают ультрафиолетовым светом (светом кварцевой
лампы), для чего кристаллы транзисторов помещают в корпуса с окном,
пропускающим ультрафиолетовый свет. В одном кристалле изготавливает-
ся много таких транзисторов, которые соединены в определенной схеме,
т.е. транзисторы объединены (интегрированы) в микросхему. При облуче-
124
нии ультрафиолетовым светом в окисле SiC>2 образуются электронно-
дырочные пары. Электроны этих пар под действием поля двигаются в
окисле в сторону затвора и попадают на него. В результате положительный
заряд на затворе компенсируется (уничтожается) одновременно на всех
транзисторах кристалла (микросхемы), т.е. производится общее ультра-
фиолетовое стирание нуля на всех транзисторах микросхемы. Все транзи-
сторы переводятся в непроводящее состояние, эквивалентное двоичной
единице, поэтому процесс стирания называют также записью единицы.
Транзисторы с «плавающим» затвором используются в качестве перемы-
чек (соединителей, контактов), которые соединяют или разъединяют две
точки электрической схемы.
Следует отметить некоторые недостатки ультрафиолетового стира-
ния:
- необходимость извлечения транзисторов (микросхем) из устройст-
ва, где они используются, для помещения под кварцевую лампу;
- применение специального дорогостоящего корпуса с окном для
облучения;
- возможность случайного стирания информации (нулей) при силь-
ном внешнем освещении. Однако следует также отметить, что транзисторы
(микросхемы) с ультрафиолетовым стиранием занимают очень малую
площадь на поверхности кристалла.
6.4.3. Двухзатворный МОП-транзистор
В этом транзисторе (рис. 6.9,6) имеется два затвора - плавающий и
управляющий. Плавающий затвор играет ту же роль, что и в ЛИЗМОП-
транзисторе: при помощи его производится перевод транзистора во вклю-
ченное состояние (программируется нуль). Управляющий затвор применя-
ется для стирания нуля (для перевода в непроводящее состояние). Для это-
го на управляющий затвор подается положительный импульс напряжения
(до 30 В). Под действием поля, создаваемого этим напряжением, электро-
ны подходят к плавающему затвору и нейтрализуют положительный заряд.
Вместе с положительным зарядом на плавающем затворе исчезает и инду-
цированный п-канал. Транзистор переводится в выключенное состояние,
эквивалентное двоичной единице (записывается единица). Такое стирание
(нуля) называют электрическим стиранием. Двухзатворный МОП-тран-
зистор используется как однотранзисторный элемент памяти в запоми-
нающих устройствах, сохраняющий информацию длительное время, в том
числе при отключении напряжения питания.
Электрическое стирание предпочтительнее ультрафиолетового, т.к.
транзисторы (микросхемы) не надо извлекать из устройства, где они ис-
пользуются. Стирание можно производить на месте. Однако электрически
125
стираемый транзистор (микросхема) занимает большую площадь на по-
верхности кристалла, чем транзистор (микросхема) с ультрафиолетовым
стиранием.
6.4.4. Полевой транзистор с барьером Шоттки
В быстродействующих интегральных микросхемах (БИС и СБИС)
широко используется полевой транзистор с барьером Шоттки (ПТШ), у
которого вместо управляющего р-п перехода управляющим элементом яв-
ляется выпрямляющий контакт металл-полупроводник с барьером Шоттки
(п. 4.3.1). Используются только и-канальные ПТШ. В качестве металла
контакта-затвора чаще всего используется силицид вольфрама (SiW). Вы-
сота барьера Шоттки фм при этом достигает 0,8 В (см рис. 4.12,6'). По ста-
тическим свойствам и по быстродействию ПТШ аналогичен МОП-
транзисторам. Структура ПТШ показана на рис. 6.10,а. В качестве исход-
ного материала (подложки) используется арсенид галлия (GaAs) с очень
высоким удельным сопротивлением, близким к сопротивлению изолятора
Рис. 6,10
126
(полуизолирующий слой). С помощью ионной имплантации (см. гл. 8.3)
создаются канал я-типа и области стока (С) и истока (И) «"-типа (как в
МОП-транзисторе). Области стока и истока образуют невыпрямляющие
контакты с внешними выводами. Контакт металлического затвора 3 с «-ка-
налом образует переход Шоттки. Обедненная область 1 этого перехода
может полностью или частично перекрывать «-канал в равновесии (при
Ua = 0). Если канал в равновесии перекрыт частично, то такой ПТШ назы-
вают нормально открытым (НО). Через НО ПТШ при С/зи = 0 может про-
текать ток стока (Zc). Если канал при (73и = 0 перекрыт полностью, то ПТШ
закрыт, ток 1С = 0. Такой ПТШ называют нормально закрытым (НЗ). Изме-
няя концентрацию доноров и толщину канала d, можно получить либо
НО, либо НЗ ПТШ. И те и другие используются в арсенидогаллиевых БИС.
На рис. 6.10,6 приведены стоковые характеристики ПТШ. Они такие же,
как у других полевых транзисторов. На рис. 6.10,в показаны стокозатвор-
ные (передаточные) характеристики НЗ и НО ПТШ. У НЗ ПТШ они анало-
гичны стокозатворным характеристикам МОП-транзистора с индуциро-
ванным каналом (см. рис. 6.6,6), которые характерны для режима обогаще-
ния. При t/3 < t/nop НЗ ПТШ закрыт. Открывается он при (73> t/llop (С'|[ор =
= 0,1...0,2 В). У НО ПТШ стокозатворные характеристики аналогичны та-
ковым для МОП-транзистора со встроенным каналом (см. рис. 6.4,6).
Транзистор открыт, через него протекает ток стока Zc при Сзи > -Потс, в том
числе и при С'зи = 0. Участок от О'чи = 0 до С'зи = -Uon соответствует режи-
му обеднения. Весь участок 6ЗИ > 0 характерен для режима обогащения.
Хотя стокозатворные характеристики ПТШ такие же, как у МОП-
транзисторов, механизм управления током Zc у ПТШ аналогичен механиз-
му управления полевого транзистора, только вместо управляющего р-п пе-
рехода имеется переход Шоттки. Управление током стока осуществляется
тоже путем уменьшения или увеличения площади сечения канала за счет
изменения ширины обедненного слоя hs перехода Шоттки (см. рис. 4.12,в).
Существенным отличием ПТШ от полевого транзистора (унитрона) явля-
ется то, что большая часть стокозатворных характеристик располагается в
области прямого смещения на переходе Шоттки (6/3и > 0). При этом пере-
ход Шоттки открывается и в цепи затвора протекает прямой ток (Z3 > 0),
что было недопустимо в полевом транзисторе-унитроне.
Очень важным свойством ПТШ является его высокое быстродейст-
вие. Время переключения ПТШ измеряется десятками пикосекунд: /перекл=
= (100. ..200) пс (1 пс = 10'12 с).
127
6.5. Обозначение (маркировка) и типы
выпускаемых транзисторов
Как и для диодов, действующая система обозначений введена в
1964 г. В последующем в нее вносились уточнения и дополнения. До
1964 г. действовала другая (старая) система обозначений.
Система обозначений до 1964 г. (старая). Первый элемент - буква
П - означает полупроводниковый триод. Если корпус транзистора свари-
вается методом холодной сварки, перед буквой П ставится еще буква М.
Второй элемент - число, указывающее электрические параметры:
а) низкочастотные (/<5 мГц):
1-100
101-200
201-300
301-400
б) высокочастотные (/ > 5 мГц):
401-500
501-600
601-700
701-800
Третий элемент - буква, указывающая разновидность транзистора
данного типа. Например, П-26 (МП-36) - это германиевый низкочастотный
маломощный транзистор (электрические параметры определяются по
справочнику).
В настоящее время в обращении находится много транзисторов этой
системы обозначения.
Система обозначений после 1964 г. (новая, более совершенная). Пер-
вый элемент - буква или цифра, указывающая на исходный материал: Г
или 1 - германий, К или 2 - кремний, А или 3 - арсенид галлия, И или 4 -
-германиевые!
-кремниевые J маломощные ( Р < 0,25 Вт);
- германиевые !
- кремниевые J
Р > 0,25 Вт;
- германиевые л
- кремниевые J Р < 0,25 Вт;
- германиевые!
- кремниевые J
0,25 Вт.
соединения индия.
Второй элемент - буква (указывает тип прибора): Т - биполярный
транзистор, П - полевой транзистор.
Третий элемент - число из 3 или 4 цифр, указывающее назначение и
электрические свойства прибора. Обозначение из четырёх цифр приведено
в скобках. Оно введено позднее:
а) транзисторы малой мощности (Рдоп < 0,3 Вт):
101-199 - низкочастотные (/<3 МГц)
(1001-1999),
201-299 - среднечастотные (/= 3 ... 30 МГц)
(2001-2999),
301-399 - высокочастотные и сверхвысокочастотные (fa > 30 МГц)
(3001-3999);
б) транзисторы средней мощности (с 1973 г.) ( Рдоп = 0,3 ... 1,5 Вт):
128
401-499 -/<ЗМГц
(4001-4999),
501-599 -/=3... 30 МГц
(5001-5999),
601-699 -/а >30 МГц
(6001-6999);
в) транзисторы большой мощности (РЛОп> 1,5 Вт):
701-799 -/< 3 МГц
(7001-7999),
801-899 -/=3... 30 МГц
(8001-8999),
901-999 - /„>30 МГц
(9001-9999).
Четвертый элемент - буква, указывающая разновидность тран-
зисторов данного типа. Например, ГТ 109В - германиевый маломощный
низкочастотный биполярный транзистор, 2Т 301Ж - кремниевый мало-
мощный высокочастотный биполярный транзистор, 1Е403И - биполярный
германиевый низкочастотный транзистор средней мощности. Электриче-
ские параметры находятся по справочнику. В табл. 5.2 приведены электри-
ческие параметры некоторых биполярных транзисторов, в табл. 6.1 - па-
раметры полевых транзисторов. КТ3102А - маломощный кремниевый вы-
сокочастотный биполярный транзистор, КП105Б - маломощный низкочас-
тотный полевой транзистор.
129
Глава 7.
ТИРИСТОРЫ
Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого
составляют три взаимодействующих р-п перехода, образованные четырьмя
чередующимися р- и «-областями в едином кристалле кремния. Тиристоры
иногда называют четырехслойными структурами и управляемыми диода-
ми. Далее будет использоваться лишь термин «тиристоры».
Тиристоры очень широко применяются в силовой преобразова-
тельной технике как переключающий элемент. Специалисты считают, что
появление тиристоров произвело революцию в силовой полупро-
водниковой технике. Особенно интенсивно с появлением тиристоров стали
разрабатываться новые схемы и способы в автоматизированном электро-
приводе.
Тиристоры только с двумя главными выводами называют динисто-
рами или диод-тиристорами.
Тиристоры с двумя главными и одним управляющим электродами
называют тринисторами или триод-тиристорами. Тринисторы являются
самой распространенной разновидностью тиристоров, в связи с этим на
практике понятие «тиристоры» часто отождествляют только с ними. В на-
стоящее время выпускаются высококачественные тиристоры, рассчитан-
ные на токи до 2000 А и напряжение до 2-3 кВ [2].
Тиристоры принято делить на маломощные и силовые.
К маломощным относят тиристоры на ток до 10 А и напряжение до
500 В. Маломощные тиристоры обозначаются по новой системе (после
1964 г.). Динисторы имеют вторым элементом в обозначении букву «Н»,
например КН 102Ж, тиристоры - букву «У», например КУ202А.
К силовым относят тиристоры, рассчитанные на токи более 10 А.
Силовые тиристоры имеют свою систему обозначения, которая будет
приведена в конце этой главы.
7.1. Устройство и принцип действия тиристоров
Упрощенная структура триод-тиристора и схема ее включения пока-
заны на рис. 7.1,а. Крайние слои pi и пг называют эмиттерами, а средние
слои «1, рг - базами («, - толстая база, рг - тонкая база). Верхний Э, и ниж-
ний Эг р-п переходы называют эмиттерными, средний К - коллекторным.
130
Внешние выводы от эмиттерных областей являются главными элек-
тродами. Вывод от эмиттераpt называют анодом А, вывод от эмиттера п2 -
катодом К. От тонкой базы р2 имеется вывод - управляющий электрод
(УЭ). Все внешние выводы образуют с областями тиристора невыпрям-
ляющие контакты.
Динистор отличается от триод-тиристора только тем, что у него нет
управляющего электрода. Следовательно, тринистор при разомкнутой це-
пи УЭ (/у = 0) является динистором. В связи с этим динисторы отдельно не
рассматриваются.
На рис. 7.1,6 приведены условные обозначения тиристора.
а
Рис. 7.1
б
При подключении внешнего напряжения питания £п с полярностью,
указанной на рис. 7.1,а (такое направление называется прямым), эмиттер-
ные переходы Э] и Э2 смещены в прямом направлении. Коллекторный пе-
реход К смещен в обратном направлении, и к нему приложено практически
все внешнее напряжение Ua (Ua » Е„). Эмиттер р1 инжектирует в базу nt
дырки, поток которых образует ток 7Э[. Инжектированные дырки в базе И|
диффундируют в сторону коллекторного перехода точно так же, как в базе
транзистора. Часть их рекомбинирует с электронами, а остальная часть -
131
cij/31 - достигает коллекторного перехода и увеличивает коллекторный
ток /«. Точно так же эмиттер пг инжектирует электроны в базу р2, поток ко-
торых образует ток 1Э2. Часть электронов рекомбинирует в базе р2, а ос-
тальная часть - 0-2^32 ~ достигает коллекторного перехода и тоже увели-
чивает ток 1К.
Таким образом, ток коллекторного перехода /к управляется двумя
эмиттерными токами - /3., /Эг. Кроме того, через обратносмещенный
коллекторный переход течет обратный ток 1о5. Общий ток /к будет опре-
деляться всеми тремя составляющими:
к =а1/Э1 +а2/Э2 +/об- (71)
Через эмиттерный переход Э2 протекает сумма токов 1а и I :
7э2=7а+/у, (7-2)
где 1у - ток управления (см. рис. 7.1).
Через остальные два перехода (К и Э,) протекает один общий ток,
равный току внешней цепи 1а:
7э,=7к=/а. (7.3)
Подставив в (7.1) значения токов из (7.2) и (7.3), легко найти величи-
ну тока 1а во внешней цепи, выраженную через параметры транзистора:
7об + * 7у
1-(а, +а2)'
(7.4)
Выражение (7.4) в неявном виде является вольт-амперной ха-
рактеристикой тиристора.
При разомкнутой цепи УЭ (1у =0) характеристика (7.4) переходит в
динисторную характеристику:
При напряжениях на коллекторном переходе, далеких от про-
бивного, ток 70б почти равен тепловому току /Ко:
70б л 7Ко .
Однако вблизи пробоя ток /об больше /|<„ за счет лавинного размно-
жения Л7:
70б -^7 7Ко .
(7.6)
132
В формулах (7.4) и (7.5) иногда вместо /о6 используется его значе-
ние из (7.6), вдали от пробоя величина М считается равной единице.
В зависимости от величины знаменателя в (7.5) ток может иметь два
резко различных значения, а тиристор может находиться в двух резко раз-
личных состояниях: закрытом и открытом.
7.2. Закрытое и открытое состояние тиристора
7.2.1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен)
При напряжениях на коллекторном переходе 1/к, далеких от пробив-
ного, обратный ток 1Ко кремниевых переходов очень мал, не превышает
единиц микроампер. В свою очередь, ось а? кремниевых приборов при ма-
лых токах близки к нулю. Следовательно, ток через структуру, называе-
мый током утечки Л, (при /у = 0), лишь немного превышает 1Ко. Напряже-
ние (t-'к ~ Uo) при этом' может достигать нескольких сотен вольт. Такое со-
стояние тиристора называют закрытым, оно эквивалентно отключенному
положению ключа. Это состояние соответствует участку 1 вольт-амперной
характеристики, приведенной на рис. 7.2,а.
Для улучшения наглядности на рис. 7.2,6 показана та же ха-
рактеристика с растянутой по оси токов начальной частью с искаженными
масштабами.
133
При заданном токе управления (/у * 0) ток утечки транзистора /ут на
участке 1 в соответствии с (7.4) несколько больше определяемого по (7.5),
но все равно остается весьма малым, не превышая единиц миллиампер.
Каждому значению тока 1У соответствует своя ветвь на участке 1. На рис.
7.2, кроме характеристики 7, = 0, приведены две характеристики для
/у = 7у1 и /у = 1у2.
7.2.2. Открытое состояние тиристора (ключ включен)
Если сумма а, + а2 близка к единице, знаменатель в (7.5) близок к
нулю, то ток 1а тиристорной структурой в этом случае не ограничивается
(согласно (7.5) ток 1а равен бесконечности). Практически ток 1а ограни-
чивается внешним резистором Ra. Напряжение на тиристоре при этом не
превышает двух вольт, поэтому ток
г
(7-7)
Ка
Такое состояние тиристора называют открытым, оно эквивалентно
включенному положению ключа.
Открытое состояние соответствует участку 3 вольт-амперной харак-
теристики. Величина /у не влияет на участок 3.
При изменении полярности внешнего напряжения Ua оба эмиттер-
ных перехода смещаются в обратном направлении, коллекторный - в пря-
мом. Такое направление называют обратным. Тиристор при этом не отли-
чается практически от обычного диода. Обратное направление соответст-
вует участку 4 вольт-амперной характеристики.
7.3. Включение и выключение тиристора
Включение тиристора при = 0. Переход тиристора от закрытого
(участок 1) к открытому (участок 3) называется включением тиристора, он
соответствует участку 2 характеристики. В основе процесса включения ти-
ристора лежит зависимость коэффициентов аь а2 от тока коллекторного
перехода 7К. На рис. 7.3 показаны основные потоки носите лей, взаимодей-
ствие которых определяет состояние тиристора. Физические процессы в
тиристоре во многом аналогичны процессам в бездрейфовом транзисторе и
диоде. Эмиттерные переходы Э| и Э2 выполняют односторонними
(рР\» «ль n„i>>рР2), поэтому считают, что имеет место только инжекция
дырок через Э1 (7Э| ® 1р1) и электронов через Э2 (/Э2 ® 7„2). Для сокра-
134
щения поток дырок ос |/л, । называют транзитным, а поток дырок (1 — СС])/Л, |,
рекомбинирующих в базе щ, - рекомбинационным. Аналогично для базы
р2 поток а2/„2 - транзитный, а поток (1 - а2)/„2 - рекомбинационный.
На начальной части участка 1 при малом токе (7о6 =7к0) коэффициен-
ты a i и а2 близки к нулю и почти весь поток дырок должен рекомбиниро-
вать в базе и, (т.к. <J.\IP\ = 0), а поток электронов 7„2 - в базе />2 (т.к. а\1л =
= 0), для рекомбинации потока дырок (1 - cci)/^,] в базе п\ туда должен вте-
кать такой же поток электронов. При неравенстве этих потоков происходит
накопление нескомпенсированных зарядов в базе п\ (дырок или электро-
нов), изменяется смещение на эмиттерном переходе Э, и автоматически
устанавливается равенство потоков рекомбинирующих дырок и электро-
нов в базу «|. Электроны в базу п\ «поставляются» обратным током кол-
лекторного перехода 70б (70б = + /об„), электронная составляющая этого
тока /обп является непосредственным «поставщиком» электронов, а дыроч-
ная составляющая 1о6р «освобождает» электроны в базе и, вследствие ухода
дырок и транзитным потоком электронов а2/„2 через базу р2 от эмиттерно-
го перехода Э2. В начальной части участка 1 «2/„2 = 0 и единственным «по-
ставщиком» электронов является обратный ток 7К. Поэтому и общий ток
мало отличается от 7Ко.
Рис. 7.3
При увеличении напряжения 77Коб (t/к об ® Ua проб) начинается рост
обратного тока 7о6 коллекторного перехода вследствие лавинного размно-
жения (Л/> 7), следовательно, увеличивается сумма (а, + а2), что ведет к
дальнейшему росту тока согласно (7.5) и суммы (а,+а2) и росту М. Таким
образом, начало пробоя (предпробойного явления) коллекторного перехо-
да является началом включения тиристора, однако в дальнейшем процесс
включения тиристора развивается самостоятельно и никакой связи с про-
боем не имеет.
При росте Ct] и а2 увеличиваются транзитные потоки а21п2 и
уменьшаются рекомбинационные потоки (1 - ai)7pi, (1 -- ос2)/п2. Происходит
накопление электронов в базе п\ (увеличивается отрицательный неском-
135
пенсированный заряд базы), увеличивается смещение на эмиттерном пере-
ходе Э1 и снова устанавливается равенство рекомбинационного потока ды-
рок и притока электронов в базу щ. Такой же процесс происходит и в базе
Рг, в которой накапливается положительный заряд дырок. При дальнейшем
повышении напряжения Ua ток 1а возрастает настолько, что сумма (<Х| + а2)
увеличивается до единицы, а знаменатель в (7.5) уменьшается до нуля. Ток
1а начинает нарастать лавинообразно. Напряжение, при котором происхо-
дит включение, называют напряжением переключения {7пер, а ток, при ко-
тором сумма (ai + «2) достигает 1а, - током включения
Ток 1а должен был бы расти до бесконечности согласно (7.5). Однако
последовательно с тиристором всегда включается ограничивающий рези-
стор (нагрузка) и при росте тока напряжение уменьшается почти до нуля, а
ток включенного тиристора определяется равенством (7.7). Обратный ток
при этом уменьшается до нуля (напряжение об снижается до нуля), а
транзитные составляющие вследствие роста cq, а2 становятся больше ре-
комбинационных. Отрицательный заряд электронов в базе п\ и положи-
тельный заряд дырок в базе р2 увеличиваются настолько, что за счет этих
зарядов коллекторный переход смещается в прямом направлении (при
включении изменяется полярность напряжения на коллекторном переходе)
и происходит инжекция через коллекторный переход электронов в базу р2,
дырок - в базу п\.
Опять устанавливается равенство притоков дырок и электронов в ба-
зы. В базе «1, например, во включенном состоянии приток дырок обуслов-
лен рекомбинацией (инжектированных через Э|) и инжекцией через кол-
лекторный переход, а приток электронов - транзитной составляющей а27„2.
Напряжение на включенном тиристоре практически равно напряжению на
одном эмиттерном переходе (напряжение коллектора и другого эмиттера
взаимно компенсируются), а ток ограничивается сопротивлением Ra со-
гласно (7.7). Характеристика включенного тиристора (участок 3) представ-
ляет практически прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода.
Включение тиристора при 1У * 0. При заданном токе управляющего
электрода, например / =7 ток утечки выключенного тиристора, со-
гласно (7.4), больше обратного тока 1о6 на величину а2/у, да и сумма (а, +
+ а2) несколько больше. При увеличении Ua ток 1а достигает тока включе-
ния (при котором oil + а.2 = 1) уже при меньшем напряжении и включение
тиристора происходит при меньшем (чем t/nep) напряжении Ua. В дальней-
шем тиристор во включенном состоянии удерживается зарядами в базах и
ток управления 1У уже не играет никакой роли. При некоторой величине
тока управления, называемого током спрямления 1У спр, тиристор оказыва-
ется включенным сразу, участок 1 при этом отсутствует, а тиристор стано-
вится обычным диодом.
136
Зависимость напряжения включе-
ния (С/авкл) от тока управления включе-
ния (7увкл), приведенная на рис. 7.4, на-
зывается готовой характеристикой
управления тиристора Uam =flly вкл).
В большинстве практических схем
прямое напряжение на тиристоре выби-
рается меньше t/nep. Включение тирис-
тора осуществляется короткими импуль-
сами тока с большой амплитудой.
Выключение тиристора. Выклю-
чить тиристор (перевести с участка 3 на
участок 7) можно только снижением тока 1а до тока удержания 7уд, при ко-
тором сумма (cci + аг) станет меньше единицы и произойдет лавинообраз-
ное выключение тиристора. В практических схемах выключение тиристора
осуществляется снятием напряжения Ua или изменением его полярности
на обратную.
Инерционность тиристора. Поскольку протекание тока через тири-
стор связано с диффузией неосновных носителей в базах, то установив-
шееся значение тока достигается не мгновенно, а в течение конечного от-
резка времени, называемого временем включения tm или временем вы-
ключения /выкл. Для маломощных тиристоров t№n и Гвыкл измеряются едини-
цами и долями микросекунд, для силовых - десятками микросекунд.
7.4. Параметры тиристора
Параметры тиристоров определяются характеристиками. Их вы-
бирают таким образом, чтобы полностью охарактеризовать оба состояния
тиристора, а также включающие параметры управляющего электрода. При
этом имеются различия в параметрах маломощных тиристоров, предназна-
ченных для работы в качестве переключающих элементов, и силовых ти-
ристоров, предназначенных для работы в цепях переменного тока (так же,
как для диодов).
Параметры маломощных тиристоров определяются характерными
точками статической характеристики (см. рис. 7.2): 77||ер, 7ВКЛ, 4, 4д>
^вкл, ^выкл-
Сущность их была рассмотрена ранее. Для характеристики цепи
управления используются 1У вкл - включающий ток (минимальное значение
тока 7У, включающего тиристор); Uy вкл - включающее напряжение (напря-
жение на управляющем электроде при 1У = 1У вкл). В табл. 7.1 приведены па-
раметры некоторых маломощных тиристоров.
137
Параметры маломощных тиристоров
Таблица 7.1
Тип тиристо- оа Дт, мкА ^ОСТ, в Дд> мА В Л, А U,p t-Аэбр Д вкл» мА ^вкл ^выкл
В МКС
КН102Ж 2,5 1,5 о,1 120 0,2 30 10 - - -
КУ202И 5-Ю3 2 100 - 10 200 200 300 50 150
Параметры силовых тиристоров определяются по классификаци-
онной вольт-амперной характеристике (рис. 7.5), которая снимается так
же, как для силовых диодов (см. главу 4.2). Параметры те же, что для си-
ловых диодов (силовые тиристоры часто называют управляемыми диода-
ми): lm, UH, MJm, Ряоп и ток удержания /уд, UH при т = 0,6 по отношению к
меньшему из напряжений С7проб и Unep:
По величине UH тиристо-
ры также делятся на классы, а
по ДС7ан - на группы. Для ха-
рактеристики цепи управления
тиристоров используются те же
параметры, что и для мало-
мощных тиристоров.
Кроме того, для силовых
тиристоров вводятся парамет-
ры, ограничивающие скорости
нарастания тока и напряжения.
Допустимая скорость на-
растания прямого тока dia/ dt
при включении тиристора вводится для исключения точечных пробоев
кремниевой пластины вокруг управляющего электрода. При включении
ток нарастает очень быстро, но не успевает распространиться по всей пло-
щади перехода, а концентрируется в начальный момент вокруг управляю-
щего электрода, превышая допустимую плотность тока. Допустимая ско-
рость нарастания прямого напряжения dUa/dt вводится для ограничения
зарядного тока барьерной емкости коллекторного перехода.
Зарядный ток может вызвать ложное включение тиристора (при рос-
те тока растет сумма (ot| + аг)). В табл. 7.2 приведены параметры некото-
рых силовых тиристоров.
138
Таблица 7.2
Параметры силовых тиристоров
Тип /и, и„ 1 А (/„ ^ВКЛ ^ВЫКЛ Я'пс С Примеча-
тиристора А В МКС град/Вт ние
Т50 ВКПУ-50 50 50-1000 <0,85 <20 1-я гр.-25 2-я гр.-ЗО 3-я гр.-2000 1,1 0,8 Штыревой с возд. охл.
ТВ-20 ВКДУ-200 200 50-1000 <0,85 <20 То же 0,31 0,2 То же
Т-320 330 80-1200 <0,9 <30 250 0,16 0,05 Табле- точный
Т-500 500 80-1200 <0,9 <30 250 0,09 0,025 То же
7.5. Типы и обозначения силовых тиристоров
Кроме обычных тиристоров, рассмотренных выше, в настоящее вре-
мя выпускается несколько других разновидностей тиристоров. Основные
из них кратко описаны ниже.
Симметричные тиристоры (ТС. ВКДУС). Их вольт-амперная харак-
теристика, приведенная на рис. 7.6,а, симметрична.
Основой симметричного тиристора является кремниевая пятислой-
ная монокристаллическая структура, показанная на рис. 7.6,6. Эта структу-
ра эквивалентна двум тиристорам, включенным встречно-параллельно.
Так, при полярности напряжения на структуре, данной без скобок, слои
Pt - п2-pi - образуют тиристор, для которого указанная полярность яв-
ляется прямой и характеризуется правой ветвью вольт-амперной характе-
Рис. 7.6
139
Переход п\ -pi при этом смещен в обратном направлении, закрыт и
участия в работе не принимает. При смене полярности внешнего напряже-
ния (новая полярность указана в скобках) закрывается переход и3 - р2, а в
работе остается структура р2 - п2 - pi - П\, для которой новая полярность
является прямой и соответствует левой ветви характеристики.
Лавинные тиристоры (ТЛ), как и лавинные диоды, имеют чисто ла-
винный пробой, равномерно протекающий по всей области р-п перехода.
Высокочастотные тиристоры (ТЧ) предназначены для высоко-
частотных преобразователей с номинальным током до 125 А, временем
включения до 8 мкс, временем выключения до 30 мкс.
Полностью управляемыми считаются тиристоры, выключение ко-
торых может производиться по цепи управления током 1У обратного на-
правления без снятия напряжения главной цепи Ua. Пока имеются лишь
маломощные тиристоры этого типа, не получившие широкого распростра-
нения.
Штыревые и таблеточные тиристоры. Конструктивно тиристоры
имеют штыревую и таблеточную форму. В штыревой форме (более ран-
ней) выполняются маломощные и силовые, в таблеточной - только сило-
вые тиристоры. Таблеточные тиристоры, появившиеся лишь в последние
годы, более совершенны как по технологии производства, так и по экс-
плуатационным свойствам. Отличительными особенностями таблеточных
тиристоров являются [4]:
- минимальные массогабаритные характеристики, обеспечиваемые
за счет компактности конструкции и двустороннего отвода тепла от вен-
тильного элемента;
- симметричность, что позволяет менять полярность включения вен-
тиля в электрической схеме преобразователя путем простого его
переворачивания;
- возможность компоновки вентилей в столбы;
- высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам.
Более подробные сведения о таблеточных тиристорах можно найти в
работе [4] .
Обозначения силовых тиристоров. Тиристоры обычного исполнения
с воздушным охлаждением обозначаются по ГОСТ 14069-68 буквой Т, по
техническим условиям - ВКДУ. В обозначения лавинных тиристоров до-
бавляется буква Л (ТЛ, ВКДУЛ), симметричных тиристоров - буква С (ТС,
ВКДУС), высокочастотных - буква Ч (ТЧ). В обозначения тиристоров с
водяным охлаждением после указанных букв добавляется буква В (ТВ,
ТЛВ, ТСВ, ВБДУВ, ВКДУЛВ, ВКЖУСВ).
Остальные элементы обозначения те же, что и у силовых диодов.
Например, ТЛ-200-6В означает лавинный тиристор, номинальный ток -
200 А, класс 6, группа В.
140
Глава 8.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
МИКРОСХЕМЫ
8.1. Общие сведения о микросхемах
8.1.1. Классификация микросхем
Все выпускаемые отечественные интегральные микросхемы (ИМС)
подразделяются на группы, подгруппы и виды. В зависимости от конст-
руктивно-технического исполнения ИМС подразделяются на три группы:
полупроводниковые, пленочные, гибридные.
Группы ИМС
Полупроводниковые ИМС. Это микросхемы, все элементы и межэ-
лементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности по-
лупроводникового кристалла. Краткое определение полупроводниковых
ИМС как электронных полупроводниковых приборов дано во введении.
Следует добавить, что составляющие полупроводниковую микросхему
транзисторы, диоды, резисторы размещаются в приповерхностном слое
тонкого полупроводникового кристалла, называемом подложкой. Сущест-
вуют и другие определения ИМС. Например, более общее, охватывающее
все типы[1]: ИМС есть совокупность, как правило, большого количества
взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов, конден-
саторов и т. п.), изготовленных в едином технологическом цикле на одной
и той же несущей конструкции - подложке, выполняющая функцию пре-
образования сигнала.
Полупроводниковые ИМС составляют основу современной микро-
электроники и будут рассмотрены более подробно.
Пленочные ИМС. Это микросхемы, состоящие только из пассивных
элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), выполненных в
виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической
подложки. Различают тонкопленочные (толщина пленок до 1-2 мкм) и
толстопленочные (толщина до 10-20 мкм) ИМС. Из-за отсутствия актив-
ных элементов функции пленочных ИС крайне ограничены.
Гибридные ИМС (ГИС). Это комбинация пассивных пленочных эле-
ментов и активных дискретных компонентов (транзисторов, диодов), рас-
141
положенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компонен-
ты, входящие в состав ГИС, называют навесными компонентами, подчер-
кивая этим их обособленность от основного технологического цикла полу-
чения ГИС. Кроме транзисторов и диодов, навесными компонентами ГИС
могут быть полупроводниковые ИМС.
Принадлежность конкретной ИМС к соответствующей группе отра-
жается первой цифрой в обозначении ИМС:
1, 5, 6, 7 - полупроводниковые;
2, 4, 8 - гибридные;
3 - прочие (куда входят пленочные).
Подгруппы и виды ИМС
Другой классификационный признак ИМС - подгруппы и виды. Ему
соответствуют две буквы в обозначении ИМС. Деление на подгруппы и
виды осуществляется в зависимости от характера функций, выполняемых
ИМС в радиоэлектронной аппаратуре. Например, выделяют такие под-
группы (1-я буква), как генераторы, усилители, ключи, преобразователи и
т. д. Микросхемы в подгруппе подразделяются на виды (2-я буква), разли-
чающиеся по роду тока, частоте, форме сигнала и др. Например, подгруппа
усилители (У) подразделяется на виды: усилитель низкой частоты (Н), вы-
сокой частоты (В), постоянного тока (Т) и т. д. Деление ИМС на подгруп-
пы, виды и их условные обозначения установлены (рекомендованы)
ОСТ11073.915-80. В табл. 8.1 в качестве примера приведены некоторые
подгруппы и виды (наиболее часто применяемые) и их обозначения. Пол-
ная таблица всех подгрупп и видов довольно внушительна. Кроме того, по
мере развития микроэлектроники ГОСТ периодически изменяется, что, как
правило, приводит к изменениям в обозначениях. Пользоваться нужно
действующим ГОСТом.
Аналоговые и цифровые ИМС
В зависимости от вида обрабатываемого сигнала все микросхемы
делятся на аналоговые и цифровые.
Аналоговыми называют микросхемы, предназначенные для обработ-
ки и преобразования аналоговых сигналов. К аналоговым сигналам отно-
сят сигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции. Например,
усилители (У), генераторы (Г) в табл. 8.1 относятся к аналоговым ИМС.
Цифровыми называют микросхемы, предназначенные для обработки
и преобразования цифровых сигналов. К цифровым сигналам относят сиг-
налы, изменяющиеся по закону дискретной функции и выраженные в циф-
ровом виде. В наиболее распространенной двоичной системе цифровой
сигнал имеет два значения - нуль (0) и единица (1). Например, триггеры
(Т), логические элементы (Л) в табл. 8.1 относятся к цифровым ИМС.
142
Обозначение микросхем
Таблица 8.1
Подгрх ппа ' ИМС | (обозначения) Вид ИМС (обозначения) Обозначение подгруппы и вида
1 Генераторы ; (О Гармонических сигналов (С) ГС
Прямоугольных сигналов (Г) гг
Сигналов специальной формы (Ф) ГФ
Линейно-изменяющихся сигналов (Л) ГЛ
Ш\ма (М) гм
Прочие (П) гп
Усилители ’ (У) i Низкой частоты (Н) УН
Высокой частоты (В) УВ
Постоянного тока (Т) УТ
Операционные (Д) уд
Дифференциальные (С) УС
Прочие (П) УП
Триггеры (Т) Универсальные - типа JK (В) ТВ
RS-триггеры (Р) ТР
Счетные - типа Т (Т) тт
D-триггеры (М) ТМ
Прочие (П) тп
Схемы цифровых устройств (И) Регистры (Р) ИР
Сумматоры (М) ИМ
Счетчики (Е) ИЕ
Шифраторы (В) ив
Дешифраторы (Д) ид
Прочие (П) ип
Логические элементы (Л) Элемент И (И) ли
Элемент НЕ (Н) лн
Элемент ИЛИ (Л) лл
Элемент И-НЕ (А) ЛА
Элемент ИЛИ-HE (Е) ЛЕ
Элемент И-ИЛИ (С) ЛС
Элемент И-ИЛИ-НЕ (Р) ЛР
Элемент ИЛИ-HE / ИЛИ (М) лм
Элемент И-НЕ / ИЛИ-HE (Б) ЛБ
Степень интеграции
Интегральные схемы подразделяют по функциональной сложности
ИС. Функциональную сложность характеризуют степенью интеграции N,
под которой понимают количество элементов в кристалле (чипе). Обычно
143
N характеризуют количеством транзисторов в чипе. К настоящему времени
N достигает 100000 и более. Повышение степени интеграции, а вместе с
ней и сложности выполняемых микросхемой функции - одна на главных
(объективных) тенденций микроэлектроники. Для количественной оценки
введем условный коэффициент Л? степени интеграции (ГОСТ 17021-88):
7C=lgA. (8.1)
Величину К округляют до ближайшего целого большего числа. В за-
висимости от величины К различают:
- 1-ю степень интеграции, К = 1, (N < 10);
- 2-ю степень интеграции, К = 2, (10 < N< 100);
- 3-ю степень интеграции, К = 3, (100 < N < 1000),
и т.д.
Имеются ИМС шестой степени интеграции. На очереди ИМС седь-
мой степени интеграции.
На практике и в литературе, особенно в зарубежной, для оценки
функциональной сложности широко используются другие понятия (терми-
ны): малая (МИС) или просто ИС, средняя (СИС), большая (БИС) и сверх-
большая (СБИС) микросхемы. Эти понятия зависят не только от N, но еще
от функционального назначения и технологии изготовления (в нашей
стране эти понятия также рекомендованы ГОСТ 17021-88). Эти данные
приведены в табл. 8.2.
Таблица 8.2
Обозначение микросхем по функциональной сложности
Наименование ИС Вид ИС Число элементов N
ИС (IC) Цифровая 1-100
Аналоговая 1-100
СИС (MSI) Цифровая 101-1000
Аналоговая 101-500
БИС (LSI) Цифровая 1001-(0,5-1)10ь
Аналоговая 501-10000
СБИС (VLSI) Цифровая с регулярной структурой Более 100000
Цифровая с нерегулярной структурой Более 50 000
Аналоговая Более 100000
В зарубежной литературе сложность цифровых микросхем часто
оценивают количеством эквивалентных вентилей (двухвходовых логиче-
ских элементов - Usable gates). К настоящему времени количество эквива-
лентных вентилей в одной ИМС достигает 10000 и более.
144
Для характеристики уровня технологии производства ИС вводят по-
казатель плотности упаковки, означающий количество транзисторов (эле-
ментов) на единицу площади (1мм2) чипа (кристалла). Плотность упаковки
достигает 1000 транзисторов на 1мм2 и более.
Ранее, до выхода ГОСТ 17021-88, было иное определение понятий
МИС, СИС, БИС, СБИС, которые можно встретить в нашей литературе. В
столбце «Наименование ИС» в скобках приведены английские наименова-
ния (аббревиатуры) ИС (IC-Integrated Circuit).
8.1.2. Обозначения ИМС
Обычно микросхемы выпускаются сериями. Серия представляет со-
бой совокупность ИС, имеющих единое конструктивно-технологическое
исполнение и предназначенных для совместного применения. Номер се-
рии, состоящий из трех цифр, указывается в условном обозначении микро-
схемы.
В соответствии с принятой системой (ОСТ 11073.915-80) обозначе-
ние ИМС состоит из четырех элементов. Первый элемент обозначения -
цифра, указывающая группу микросхемы по конструктивно-технологи-
ческому признаку (П. 8.1.1). Второй элемент - две или три цифры, указы-
вающие номер разработки данной серии. Первый и второй элементы (трех-
значное число) обозначают серию микросхемы (например, 155, 140 и т.д.),
третий элемент - две буквы, обозначающие функциональную подгруппу и
вид микросхемы по табл. 8.1. Четвертый элемент - одна или две цифры,
обозначающие условный номер разработки по функциональному признаку
(см. табл. 8.1) в данной серии.
1эл. 2эл. Зэл. 4эл.
К 1 55 Т"-0 6
Условный номер разработки
микросхемы данной серии______
Вид (универсальный типа JK)_____
Подгруппа (триггер)_________________
Порядковый номер серии
Группа по конструктивно-технологическому признаку
Микросхема широкого применения
Рис. 8.1
Для микросхем широкого применения, в том числе для используе-
мых в бытовой аппаратуре, перед первым элементом обозначения добавля-
ется буква К. Пример обозначения и расшифровка элементов обозначения
145
полупроводниковой микросхемы К155ТВ6 (универсальный триггер JK)
приведены на рис. 8.1.
Кроме того, в некоторых сериях перед условным обозначением се-
рии стоят различные буквы, указывающие на особенности конструктивно-
го исполнения: Б - бескорпусные ИС, М - керамический или металлокера-
мический корпус, Р - пластмассовый корпус, Н - миниатюрный металли-
ческий или керамический корпус (микрокорпус), Ф - миниатюрный пла-
стмассовый корпус (микрокорпус). Например, КР155ТВ6 - микросхема
К155ТВ6 в пластмассовом корпусе.
8.2. Сведения о технологии получения ИМС
Различают две разновидности (класса) полупроводниковых прибо-
ров: биполярные и МДП (МОП) ИМС транзисторов. В технологии получе-
ния тех и других используются одинаковые методы и приемы. Поэтому
далее будет кратко рассмотрен технологический цикл получения биполяр-
ных ИМС и транзисторов. Технология полупроводниковых ИС развилась
на основе планарной технологии транзисторов, впитавшей в себя весь
предшествующий опыт производства полупроводниковых приборов и дос-
тигшей больших успехов.
8.2.1. Исходные материалы
Полупроводниковые ИС и транзисторы изготавливаются в основном из
монокристаллов кремния. Монокристаллы кремния получают методом кристал-
лизации из расплава (методом Чохральского) или методом зонной плавки [1].
Монокристаллы (слитки) кремния. Монокристаллы кремния, назы-
ваемые монокристаллическими слитками, для производства ИМС чаще
всего получают методом Чохральского. Могут быть получены слитки ве-
сом несколько килограмм. Типовой диаметр слитка - 80 мм (может дости-
гать 150 мм). Длина слитка может достигать 1,5 м и более. Но обычно она
в несколько раз меньше. При выращивании слитка в расплав, из которого
производится кристаллизация слитка, вносят примеси (донорную или ак-
цепторную). Слиток получается с проводимостью типа п или типа р. При-
месь равномерно распределена по объему слитка (слиток однороден).
Кремниевые пластины. Исходным материалом для получения ИМС
и дискретных транзисторов являются тонкие пластины кремния, которые
получают при разрезании слитков кремния. Слитки кремния перпендику-
лярно продольной оси разрезают на множество тонких пластин толщиной
0,4-0,5 мм. Эти пластины многократно шлифуют, полируют, промывают,
чтобы получить пластины толщиной 200-300 мкм (такая толщина не дос-
146
тижима при резке) с очень чистыми ровными поверхностями. Неровность
поверхностей готовых пластин не превышает сотых долей микрона. Па-
раллельность поверхностей готовых пластин составляет единицы (и даже
доли) микрон на 1 см длины [1].
8.2.2. Групповой метод. Планарная технология
В основу получения полупроводниковых приборов (в том числе ИС)
положены групповой метод и планарная технология, освоенные еще в до-
интегральное время при производстве дискретных полупроводниковых
приборов.
Групповой метод. Сущность группового метода состоит в том, что
на одной исходной кремниевой пластине (описанной ранее) одновременно
изготавливается множество транзисторов, регулярно расположенных по
поверхности пластины. При этом все выводы всех транзисторов должны
находиться на этой поверхности. Такую возможность обеспечивает особая
планарная технология.
Планарная технология. Для этой технологии характерно, что все ра-
бочие слои и все рабочие выводы (электроды) планарных приборов распо-
ложены на одной поверхности кристалла (чипа). Планарный транзистор
приведен на рис. 8.2,6. Однако на практике планарную технологию пони-
мают более узко как технологический цикл создания кремниевых прибо-
ров и ИС с использованием локальной диффузии, эпитаксии и оксидных
масок. Этот технологический цикл будет рассмотрен более подробно. По-
сле изготовления транзисторов кремниевая пластина-подложка разрезается
по вертикали и горизонтали на множество отдельных кристаллов (чипов),
содержащих по одному транзистору. Размеры чипов находятся в пределах
от 1,5 х 1,5 до 6 х 6 мм и больше. По мере усовершенствования технологии
отмечается тенденция к увеличению размеров чипов. Чем больше площадь
чипа, тем больше может быть размещено на нем транзисторов. Однако
увеличение площади чипа связано с существенным увеличением трудно-
стей в технологии [1]. После разрезания чип с транзистором помещают в
отдельный герметизированный корпус с внешними выводами. Внешние
выводы соединяют с контактной площадкой на чипе. Из готовых транзи-
сторов получают электрическую схему функционального узла, соединяя
транзисторы и другие компоненты схемы пайкой.
Идея интеграции состоит в том, что на исходной кремниевой пла-
стине-подложке вместо множества отдельных транзисторов получают
множество отдельных «комплектов». Каждый «комплект» содержит все
компоненты (транзисторы, диоды, резисторы и т.д.), необходимые для по-
строения функционального узла. Эти компоненты соединяются между со-
бой в электрическую схему при помощи напыления на ту же поверхность
147
Рис. 8.2
чипа металлических полосок межсоединений (см. рис. 8.2,г). Вот это и есть
интегральная микросхема. Все ИМС тоже регулярно расположены на по-
верхности подложки (см. рис. 8.2,е). Пластина-подложка с ИМС тоже раз-
резается на множество чипов. Каждый чип содержит одну ИМС. Чип по-
мещается в герметизированный корпус с внешними выводами. Микросхе-
ма готова. Технология получения дискретных транзисторов и ИМС почти
одинакова, за исключением операции нанесения межсоединений в ИМС.
8.3. Планарно-эпитаксиальный цикл
Для получения микросхем наиболее удобными оказались тонкие
слои кремния, полученные методом эпитаксиального наращивания. Такие
слои (пленки) называют эпитаксиальными. При этом весь цикл изготовле-
148
ния микросхем, включая последующие операции, называют планарно-
эпитаксиальным. В качестве примера далее рассмотрим цикл изготовления
очень простой микросхемы. Электрическая схема этой ИМС приведена на
рис. 8.2,д.
8.3.1. Эпитаксия
Эпитаксией называют процесс наращивания тонких монокристалли-
ческих слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация
наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию под-
ложки. Для получения микросхем эпитаксиальный слой л-типа наращива-
ется на исходной кремниевой пластине-подложке p-типа, описанной в под-
разделе 8.2.1. В принципе можно получать эпитаксиальный слой любого
типа проводимости на подложке с любым типом проводимости [1]. Однако
в силу ряда причин чаще используется эпитаксиальный слой л-типа на
подложке p-типа. В общих чертах типовой (хлоридный) процесс происхо-
дит в такой последовательности. Готовые монокристаллические кремние-
вые пластины-подложки />-типа помещают в кварцевую трубу. Через квар-
цевую трубу протекает поток водорода, содержащий небольшую концен-
трацию примеси тетрахлорида кремния SiCl4. При высокой температуре
(около 1200 °C) на поверхности кремниевых пластин происходит реакция,
в результате которой на пластине-подложке постепенно осаждается слой
чистого кремния, а пары НС1 уносятся потоком водорода. Осажденный
(эпитаксиальный) слой монокристалличен и имеет ту же кристаллографи-
ческую ориентацию, что и подложка. Для получения проводимости слоя п-
типа к парам тетрахлорида кремния добавляют пары соединений бора.
Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается иде-
ально резкой. Поэтому очень трудно получить сверхтонкие пленки толщи-
ной менее 1 мкм. Обычно эпитаксиальный слой имеет толщину 1-
10 мкм. Такие тонкие однородные слои невозможно получить другими
средствами.
8.3.2. Окисление поверхности кремния
Следующей операцией после эпитаксии является термическое окис-
ление - получение пленки двуокиси кремния SiO2 на поверхности эпитак-
сиального слоя. Термическое окисление проводят при высокой температу-
ре (1000-1200 °C) в окислительной печи. Основу печи составляет кварце-
вая труба (как при эпитаксии). Толщина пленки окисла не более 1 мкм.
Окисление (получение пленки SiO2) за цикл изготовления ИМС про-
изводится многократно и является одним из самых характерных процессов
в технологии ИМС. Это связано с тем, что получаемая пленка SiO2 выпол-
няет несколько важных функций, основными из которых являются:
149
— функция защиты (пассивация) поверхности, в том числе — защиты
вертикальных участков р-п переходов, выходящих на поверхность слоя
(см. рис. 8.2,в,г);
- функция маски, через окна которой вводятся в кремний необходи-
мые примеси (см. рис. 8.2,а,б);
- функция диэлектрика.
Вот на такой пластине-подложке /?-Si с эпитаксиальным слоем
и-типа, покрытой слоем двуокиси кремния, показанной на рис. 8.2,а, и по-
лучают либо транзисторы, либо микросхемы, для чего необходимо выпол-
нить еще много операций планарной технологии. Далее они кратко будут
рассмотрены.
8.3.3. Первая (разделительная) диффузия
Для каждого элемента ИМС (транзистора, диода, регистра) необхо-
дим отдельный, изолированный от других, участок («карман») в эпитакси-
альном слое я-типа. Места расположения транзисторов, диодов, резисто-
ров определенны заранее (см. рис. 8.2,6).
Следует отметить, что основным элементом биполярных ИМС явля-
ется транзистор п-р-п типа. На его изготовление ориентируется весь техно-
логический цикл. Все другие элементы должны изготавливаться, по воз-
можности, одновременно с этим транзистором без технологических опера-
ций. Так, в качестве диода используется один из р-п переходов транзисто-
ра. Резисторы изготавливаются одновременно с базовым (коллекторным,
эмиттерным) слоем п-р-п транзистора. Изоляцию «карманов» чаще других
выполняют при помощи обратносмещенных р-п переходов. Для этого про-
водят 1-ю диффузию акцептора, называемую разделительной. Перед 1-й
диффузией в пленке окисла кремния получают систему окон (отверстий).
Изолирующий слой (в данном случае SiO2) с системой окон называют мас-
кой. Для изоляции n-карманов окна маски расположены над границами
между будущими карманами, как показано на рис. 8.2,6. Маски в техноло-
гическом цикле получения ИМС используют многократно. Их получают
методом фотолитографии, который далее будет кратко рассмотрен. Под-
ложку с маской для 1-й диффузии помещают в кварцевую трубу. Через
трубу при температуре выше 1000 °C пропускают смесь нейтрального газа
(аргона) с парами примеси. Для получения акцептора добавляют пары бо-
ра. Атомы акцептора диффундируют через окна маски в глубь подложки.
Диффузия акцепторов проводится на всю глубину эпитаксиального слоя.
После 1-й диффузии в тонком эпитаксиальном слое остаются обособлен-
ные «карманы» и-типа, в которых будут получены транзисторы и другие
элементы. Эти «карманы» со всех сторон окружены областями /«-типа. В
результате «-карманы изолированы от /«-подложки р-п переходом, карман
от кармана - двойным р-п переходом. Эти р-п переходы смещаются в об-
150
ратном направлении (закрываются), что обеспечивает надежную изоляцию
кармана от окружающей области. Для этого подложка должна быть соеди-
нена с точкой схемы, имеющей самый низкий потенциал. Обычно это -
корпус.
8.3.4. Вторая (базовая) и третья (эмиттерная) диффузии
После 1-й диффузии поверхность пластины (подложки) вновь окис-
ляется (покрывается окислом кремния). Методами фотолитографии в
пленке окисла получают новую систему окон (новую маску), как показано
на рис. 8.2,в. Окна маски расположены по центру карманов. При этой диф-
фузии получают базовые области р-типа. Для этого проводят диффузию
акцепторной примеси через новую маску. Порядок проведения 2-й диффу-
зии такой же, как и 1-й. После 2-й диффузии в карманах получены две об-
ласти: область и-типа, которая будет коллектором (или резистором) и об-
ласть р-типа, которая будет базой (или резистором). После окончания 2-й
диффузии поверхность пластины снова окисляется (покрывается окислом).
Методами фотолитографии получают новую маску в слое окисла, через
которую будет проведена 3-я (эмиттерная) диффузия донорной примеси. В
результате после 3-й диффузии получают эмиттеры транзисторов, как по-
казано на рис. 8.2,г. В кармане, где предусмотрен резистор, 3-я диффузия
может не проводиться (если резистор будет размещен в базовой области).
До сих пор операции получения ИМС и дискретных транзисторов одина-
ковы.
8.3.5. Металлизация (межсоединения)
После третьей диффузии проводят металлизацию - напыление в ва-
кууме тонкого слоя (до 1 мкм) металла для получения контактных площа-
док (7,2,5 на рис. 8.2,г) и внутренних соединений ИМС в функциональную
схему, называемых межсоединениями (3,4 на рис. 8.2,г). Межсоединения
получают в виде полосок шириной 10-15 мкм в обычных ИМС, в БИС - до
5 мкм и менее. Основным материалом для металлизации является алюми-
ний.
Перед металлизацией в слое окисла получают систему окон (маску) в
тех местах, где должен быть контакт со слоем кремния. На рис. 8.2,г это
коллектор транзистора (коллекторная область и-типа), эмиттер транзистора
(эмиттерная область и-типа), анод диода (базовая область диода), катод
диода (эмиттерная область диода) и контакты резистора (коллекторная об-
ласть резистора). При создании металлической разводки (контактных пло-
щадок и межсоединений) сначала на всю поверхность напыляют пленку
алюминия толщиной до 1 мкм. В упомянутых выше окнах маски получает-
ся надежный контакт металлической пленки с областями кремния. Основ-
151
ная часть пленки алюминия лежит на поверхности окисла и прочно с ним
сцеплена. Методами фотолитографии удаляют ненужную часть пленки
алюминия. Оставляют только контактные площадки и межсоединения. Для
этого (для удаления лишнего) всю пленку алюминия покрывают фоторези-
стом. Засвечивают фоторезист через фотошаблон, специально полученный
для данной ИМС. Проявляют и получают фоторезистную маску, которая
защитит будущие межсоединения и контактные площадки от травителя. С
незащищенных участков вытравливают ненужный алюминий. Фоторезист
удаляют. После этого остаются запланированные межсоединения и кон-
тактные площадки (металлическая разводка).
8.3.6. Фотолитография
Как уже указывалось, фотолитографию используют для получения
окисной маски (системы окон в слое окисла). Процесс фотолитографии
включает в себя несколько основных операций. На кремниевую пластину-
подложку, покрытую сплошным слоем окисла, наносят тонкую пленку (до
1 мкм) фоторезиста - разновидности фотоэмульсии, чувствительной к
ультрафиолетовому свету. Фоторезисты бывают негативные (аналогично
обычным фотонегативам) и позитивные. Примем, для определенности, в
дальнейшем изложении положительный фоторезист. На слой фоторезиста
накладывают фотошаблон, содержащий прозрачные окна точно такой
конфигурации, которую нужно получить в слое окисла. Вне окон фото-
шаблон непрозрачен. Получение (изготовление) фотошаблона является
очень сложной и трудоемкой задачей. Через фотошаблон засвечивают фо-
торезист кварцевой лампой. Затем фотошаблон удаляют. Фоторезист про-
являют и закрепляют, в результате чего засвеченные участки фоторезиста
(позитивного) удаляются. В фоторезисте остаются точно такие же окна,
как в фотошаблоне (рисунок с фотошаблона переносится на фоторезист).
Теперь через фоторезистивную маску (через окна в фоторезисте) произво-
дят травление пленки окисла вплоть до поверхности кремния плавиковой
кислотой, которая не действует на кремний и фоторезист. Затем удаляют
фоторезист (серной кислотой). Конечным итогом процесса фотолитогра-
фии является окисная маска на кремниевой пластине. Конфигурация окон
в окисной маске в точности соответствует фотошаблону (рисунок фото-
шаблона перенесен на окисную пленку). Через окна в окисле можно про-
водить локальные диффузии (1, 2 и 3-я), травление, металлизацию и др.
Для каждой операции требуется своя маска, а значит, и свой фотошаблон.
В цикле изготовления процесс фотолитографии используется многократно,
поэтому на каждый цикл изготовления ИМС получают комплект фото-
шаблонов разной конфигурации. В пределах комплекта фотошаблоны со-
гласованны, т.е. обеспечивают взаимную ориентацию и совместимость с
заданной точностью. Совместимость последующих фотошаблонов с уже
152
полученным рисунком на кристалле является довольно сложной проблемой.
Разрешающая способность фотолитографии. По мере увеличения
степени интеграции и уменьшения размеров элементов ИС необходимо
уменьшать размеры окон фотошаблона. Однако минимальные размеры
изображения на кристалле фотолитографии ограничиваются волновыми
свойствами света. Так, из-за дифракции света минимальный размер изо-
бражения на кристалле при засветке ультрафиолетовым светом (с длиной
волны 0,5-0,2 мкм) не может быть менее 1,0-0,4 мкм [1]. Однако при соз-
дании БИС и СБИС требуются уже элементы меньших размеров. Таким
образом, возможности фотолитографии по разрешающей способности ока-
зываются исчерпанными. Степень интеграции W при этом может достигать
10 и более.
Для повышения разрешающей способности необходимо использо-
вать для засветки фоторезиста источники с меньшей длиной волны (более
коротковолновые), например мягкое рентгеновское излучение с длиной
волны 1 - 2 нм.
За последние годы разработаны методы электронной литографии,
позволяющие в несколько раз уменьшать размеры элементов ИС.
Суть электронной литографии заключается в том, что сфокусиро-
ванный пучок электронов сканируют (перемещают по строкам и столбцам)
по поверхности фоторезиста без фотошаблона. При сканировании величи-
на тока электронного пучка управляется заданной программой. В тех мес-
тах, которые должны быть засвечены, ток пучка максимален, а там, где
«затемнены», минимален. Прогнозируется, что электронная литография
может обеспечить степень интеграции N до (20-30)-106 [1].
8.4. Особенности и перспективы развития интегральных схем
8.4.1. Особенности ИМС
Как уже отмечалось, интегральная схема относится к разряду элек-
тронных приборов, поскольку она, как транзистор, диод и др., представля-
ет собой единое целое, выполняет определенную функцию и должна удов-
летворять определенным требованиям при поставках и эксплуатации. Од-
нако ИМС является качественно новым типом прибора (по сравнению с
транзистором), обладающим рядом важных особенностей [1]:
1. Она самостоятельно может выполнять законченную, часто очень
сложную функцию: может быть усилителем, запоминающим устройством,
даже микропроцессором. Транзистор же может выполнять какие-либо
функции (усиления, генерации, запоминания и т.д.) только в составе соб-
ранной (спаянной) схемы (иногда очень сложной), включающей в себя
другие компоненты (резисторы, конденсаторы и др.).
153
2. Повышение функциональной сложности этого прибора (по срав-
нению с дискретными) не приводит к ухудшению основных показателей -
надежности, стоимости и др. Более того, все эти показатели улучшаются.
3. В ИМС отдается предпочтение активным элементам перед пас-
сивными. В дискретной электронике, наоборот, оптимален вариант схемы
при минимальном количестве активных элементов (транзисторов), т. к.
транзистор является наиболее дорогим компонентом схемы. В ИМС зада-
ется стоимость кристалла, а не компонента. Поэтому выгоднее размещать
на кристалле (чипе) больше элементов с минимальной площадью. Актив-
ные элементы в ИМС занимают минимальную площадь, пассивные (рези-
сторы) - максимальную. Поэтому в ИМС стараются свести к минимуму
количество резисторов и их номиналы.
4. Параметры смежных элементов взаимосвязаны (коррелированы).
Эта корреляция сохраняется и при изменении температуры, т. к. у смеж-
ных элементов температурные коэффициенты параметров (например,
ТКН, p(Z), I0(t) и др.) практически одинаковы. Эта особенность обусловле-
на близостью расположения: смежные элементы друг от друга расположе-
ны не далее 50-100 мкм. На таких малых расстояниях различия электрофи-
зических свойств материала маловероятны (исходные пластины изготов-
ляются однородными). Значит маловероятен и значительный разброс па-
раметров смежных элементов.
5. В ИМС не используют индуктивности, т. к. индуктивности зани-
мают большую площадь на кристалле.
6. В ИМС по той же причине ограничено применение конденсаторов.
В качестве конденсаторов (емкостей) используют барьерные емкости р-п
переходов.
8.4.2. Перспективы развития
Как уже указывалось, фотолитография исчерпала свои возможности
из-за волновых свойств света (дифракции). Дальнейшее уменьшение раз-
меров элементов обеспечивают рентгенолитография и электронная лито-
графия. Но и они имеют ограничения, обусловленные тем, что происходит
существенное разупорядочение материалов за пределами окон фоторези-
ста. По прогнозам к 2010-2015 г. развитие микроэлектроники достигнет
вершин развития. Степень интеграции N при этом составит 20-30 миллио-
нов и более. Что же далее? Далее, по прогнозам специалистов, на смену
микроэлектронике придет наноэлектроника [1]. Уже разработаны нанотех-
нологические установки, при помощи которых можно «сортировать» ато-
мы: удалять их, заменять, формировать из них трехмерные элементы. При
этом создаются квантовые проводники с поперечными размерами порядка
20 А (ангстрем), в которых, кроме всего прочего, значительно сокращается
расстояние передачи энергии и, следовательно, резко увеличивается быст-
154
родействие. Например, изготовленный по нанотехнологии полевой транзи-
стор (с размерами в пределах 40-80 нм) имеет быстродействие в терагер-
цовом диапазоне (1 ТГц = 1012 Гц). Уже в ближайшие годы будет достиг-
нута сверхвысокая плотность записи информации - 1012 бит/см2, а дли-
тельность фронта изменения электрического сигнала будет достигать
10'14 с [1]. По оценкам специалистов, уже к 2005 г. удастся разработать
технологические установки, обеспечивающие «сборку» атомов со скоро-
стью в один кубический дециметр вещества в час.
Альтернативы микроэлектроники
Одновременно с развитием микроэлектроники постоянно велись и
ведутся исследования по созданию альтернативной базы. Уже шесть лет
предсказывается, что на смену микроэлектронике придут функциональная
электроника, оптоэлектроника, квантовая электроника и биоэлектроника.
Во всех этих направлениях к настоящему времени достигнуты обнадежи-
вающие результаты. Но ни в одном из упомянутых направлений не создано
технологической базы, обеспечивающей экономически конкурентное про-
изводство высоконадежной элементной базы [1]. Ведь бурное развитие
микроэлектроники обусловлено именно высокоэффективными техноло-
гиями.
155
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.: Лаборатория Ба-
зовых Знаний, 2000.
2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных
схем. М.: Энергия, 1973.
3. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа,
1987.
4. Ситник Н.Х., Шурупов Г.Н. Силовые кремниевые вентильные
блоки. М.: Энергия, 1972.
5. Полупроводниковые приборы: Справочник / Под ред. Н.Н. Горю-
нова. М.: Энергоатомиздат, 1985.
156
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.....................................................3
1. Физические основы проводимости полупроводников............7
1.1. Общие сведения о полупроводниковых материалах....... 7
1.1.1. Энергетические зонные диаграммы кристаллов..... 8
1.1.2. Прохождение тока через металлы................. 10
1.2. Собственная проводимость полупроводников............ 10
1.3. Примесная проводимость полупроводников.............. 13
1.3.1. Электронная проводимость. Полупроводник п-типа. 13
1.3.2. Дырочная проводимость. Полупроводникр-типа..... 16
1.4. Однородный и неоднородный полупроводник........... 19
1.5. Неравновесная концентрация носителей.............. 19
1.6. Прохождение тока через полупроводники..............21
1.7. Уточнение понятий «собственные» и «примесные» полупро-
водники ................................................22
2. Количественные соотношения в физике полупроводников..... 24
2.1. Функция распределения Ферми - Дирака.............. 24
2.2. Плотность квантовых состояний..................... 25
2.3. Концентрация носителей в зонах.................... 25
2.4. Собственный полупроводник..........................27
2.5. Примесный полупроводник. Смещение уровня Ферми......28
3. Электронно-дырочный переход............................. 31
3.1. Образование и свойствар-п перехода................ 31
3.1.1. Виды р-п переходов........................... 34
3.1.2. Потенциальный барьер......................... 35
3.1.3. Токир-п перехода в равновесии.................36
3.1.4. Электронно-дырочный переход при внешнем смещении... 37
3.2. Вольт-амперная характеристикар-п перехода..........40
3.2.1. Пробойр-п перехода........................... 44
3.2.2. Влияние температуры на характеристику и свойства
р-п перехода....................................... 48
3.2.3. Емкостьр-п перехода...........................49
4. Полупроводниковые диоды..................................50
4.1. Диоды............................................. 50
4.1.1. Реальная вольт-амперная характеристика диода..50
4.1.2. Параметры диода...............................52
4.2. Разновидности диодов. Точечные и плоскостные диоды..53
4.2.1. Выпрямительные и силовые диоды................55
4.2.2. Тепловой расчет полупроводниковых приборов....57
4.2.3. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды).......58
4.2.4. Импульсные диоды............................. 59
157
4.2.5. Туннельные и обращенные диоды. Туннельный
эффект............................................. 61
4.2.6. Варикапы......................................... 69
4.3. Контакт металл - полупроводник. Диоды Шоттки.......... 70
4.3.1. Выпрямляющий контакт металл - полупроводник
и-типа.............................................. 70
4.3.2. Выпрямляющий контакт металл - полупроводник
р-типа...............................................73
4.3.3. Диоды Шоттки..................................... 75
4.3.4. Невыпрямляющие контакты металл - полупроводник .... 77
4.4. Обозначение (маркировка) несиловых диодов............. 78
5. Биполярный бездрейфовый транзистор...........................81
5.1. Устройство и принцип действия..........................81
5.2. Основные соотношения для токов. Коэффициент передачи
тока.................................................... 85
5.3. Три схемы включения транзистора....................... 87
5.4. Статические характеристики транзистора................ 90
5.5. Предельные режимы (параметры) по постоянному току тран-
зистора ................................................ 94
5.6. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзис-
тора ................................................... 95
5.6.1. Зависимость внутренних параметров транзистора от ре-
жима и от температуры............................. 98
5.6.2. Четырехполюсниковые й-параметры транзистора и эк-
вивалентная схема с й-параметрами.................... 101
5.6.2.1. Определение й-параметров по статическим ха-
рактеристикам ................................ 103
5.6.2.2. Связь между внутренними параметрами и й-па-
раметрами..................................... 105
5.7. Частотные свойства транзисторов. Дрейфовый транзистор.106
5.7.1. Частотно-зависимые параметры.................... 106
5.7.2. Дрейфовый транзистор............................ 109
6. Полевые (униполярные) транзисторы.......................... 112
6.1. Унитрон.............................................. 113
6.2. МОП-транзистор....................................... 115
6.2.1. МОП-транзистор со встроенным каналом.............115
6.2.2. МОП-транзистор с индуцированным каналом и-типа...117
6.3. Параметры и эквивалентная схема полевого транзистора.118
6.4. МОП-транзисторы со специфическими свойствами......... 120
6.4.1. МНОП-транзистор..................................121
6.4.2. МОП-транзистор с плавающим затвором..............122
6.4.3. Двухзатворный МОП-транзистор.....................124
6.4.4. Полевой транзистор с барьером Шоттки............ 125
158
6.5. Обозначение (маркировка) и типы выпускаемых транзисторов. 127
7. Тиристоры................................................. 129
7.1. Устройство и принцип действия тиристоров............ 129
7.2. Закрытое и открытое состояние тиристора............. 132
7.2.1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен)... 132
7.2.2. Открытое состояние тиристора (ключ включен).... 133
7.3. Включение и выключение тиристора.................... 133
7.4. Параметры тиристора................................. 136
7.5. Типы и обозначения силовых тиристоров............... 138
8. Интегральные микросхемы................................... 140
8.1. Общие сведения о микросхемах........................ 140
8.1.1. Классификация микросхем.........................140
8.1.2. Обозначения ИМС................................ 144
8.2. Сведения о технологии получения ИМС................. 145
8.2.1. Исходные материалы............................. 145
8.2.2. Групповой метод. Планарная технология...........146
8.3. Планарно-эпитаксиальный цикл.........................147
8.3.1. Эпитаксия...................................... 148
8.3.2. Окисление поверхности кремния...................148
8.3.3. Первая (разделительная) диффузия................149
8.3.4. Вторая (базовая) и третья (эмиттерная) диффузии.150
8.3.5. Металлизация (межсоединения)................... 150
8.3.6. Фотолитография..................................151
8.4. Особенности и перспективы развития интегральных схем. 152
8.4.1. Особенности ИМС.................................152
8.4.2. Перспективы развития........................... 153
Библиографический список..................................... 155
Бобров Иннокентий Иванович
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
Лит. редактор Н.Г. Важенина
Техн, редактор Г.Я. Шилоносова
Корректор Е.В. Копытина
Лицензия ЛР № 020370
Подписано в печать 08.09.03. Формат 60x90/16
Набор компьютерный. Печать офсетная. Усл. печ. л. 10.
_______________Уч.-изд. л. 9,3- Тираж 150. Заказ № 133____
Редакционно-издательский отдел и ротапринт
Пермского государственного технического университета
Адрес: 614600. г. Пермь, Комсомольский пр., 29а