3 страница. В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии.

В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии.

Рис. 21

Интенсивная рекомбинация и свечение возможны только при протекании в светодиоде прямого тока от внешнего источника.

Из (2) следует, что длина волны и цвет возникающего света определяются выражением:

λ = hc/W_з, (31)

где h – постоянная Планка, c – скорость света, W_з – ширина запрещённой зоны полупроводника. Согласно (31), цвет свечения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника.

Кремний светится в инфракрасном, невидимом глазу диапазоне. Кремниевые светодиоды широко применяются, когда их работа не должна видимым светом мешать человеку, например, в пультах управления. Светодиоды на основе фосфида галлия дают красное свечение, на основе карбида кремния – жёлтое и т.д. Решена проблема получения любого цвета свечения. В частности, три различных светодиода – красный, зелёный и синий решают эту проблему в пикселах светодиодных экранов.

Быстро развивается теория и практика гетеропереходов – p-n переходов с полупроводниками различного типа в p- и n-областях. Им свойственно особенно высокое разнообразие возможных электрических и светотехнических характеристик.

В значительной степени решена проблема высокого к.п.д. светодиодов, который достигает нескольких десятков процентов. Поэтому, а также благодаря исключительно высокой надёжности, светодиоды интенсивно вытесняют лампы накаливания и газонаполненные приборы в осветительных и сигнальных приборах.

В фотодиодах внешний свет проникает в p-n переход и, если выполняется соотношение (31), вызывает в нём генерацию электронно-дырочных пар. Поскольку в переходе имеется собственное электрическое поле, ускоряющее для неосновных носителей, последние разводятся полем в противоположные стороны и, тем самым, увеличивают дрейфовую составляющую тока. Равновесие диффузионного и дрейфового токов нарушается и в режиме с замкнутой внешней цепью в ней появляется фототок. В режиме с разомкнутой внешней цепью на освещённом p-n переходе появляется фото-э.д.с., также возникающая в результате нарушения равновесного состояния. В обоих случаях фотодиод можно использовать для регистрации падающего на него света. В частности, кремниевый фотодиод помещают на управляемых внешним пультом электронных устройствах. Если в пульте применён кремниевый светодиод, энергия квантов его света, согласно (2) и (31), достаточна для генерации электронно-дырочных пар.

Поскольку в освещаемом p-n переходе происходит преобразование световой энергии в электрическую, такие контакты используются в солнечных батареях. При идеально прозрачной атмосфере и в космосе мощность светового потока от Солнца на Земле достигает 1,4 кВт/м².

6. СТРУКТУРА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК.

МДП-ТРАНЗИСТОР

6.1. Основные свойства МДП-структуры

МДП-структура содержит металлический слой, слой диэлектрика и слой полупроводника, рис. 22. Если используется самый распространённый

Рис. 22

полупроводник – кремний, то диэлектрик, как правило, двуокись кремния SiO₂. Такой диэлектрик на поверхности кремния легко создаётся путём его окисления. Диэлектрический слой всегда очень тонкий, что обеспечивает проникание электрического поля в полупроводник при подаче на структуру внешнего напряжения U_вн. Полупроводник может быть как n, так и p типа.

Пусть на МДП-структуру с полупроводником p-типа подано U_вн с полярностью: минус к металлу, плюс к полупроводнику, рис. 22б. Отрицательное поле металлического слоя будет проникать в приповерхностный слой полупроводника и втягивать сюда дырки. Концентрация дырок в этом слое p⁺ будет повышенной (режим обогащения).

При подаче U_вн плюсом к металлу, рис. 22в, концентрация дырок в приповерхностном слое p^- будет пониженной из-за вытеснения отсюда дырок положительным полем металлического слоя (режим обеднения). В то же время концентрация свободных электронов в приповерхностном слое будет расти из-за уменьшения вероятности их рекомбинации с дырками (см. (13)).

В результате уменьшения концентрации дырок и роста концентрации свободных электронов, при некотором пороговом напряжении U₀ их концентрации сравняются и будут равны собственной концентрации n_i, рис. 22г.

С дальнейшим ростом напряжения концентрация свободных электронов в приповерхностном слое превысит концентрацию дырок и здесь появится n-слой (режим инверсии).

Изменение состояния полупроводника под действием электрического поля называется полевым эффектом. Транзисторы, использующие полевой эффект, называются полевыми транзисторами.

6.2 МДП-транзистор с индуцированным каналом

В МДП-транзисторах используются свойства МДП-структуры, т.е. все их разновидности относятся к классу полевых транзисторов. В современной электронике в основном используются именно такие транзисторы.

Устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом поясняет рис. 23,а. Здесь МДП-структура дополнена двумя «островками» n⁺-типа,

Рис. 23

являющимися внутренней частью контактов, между которыми может возникать канал n-типа (рис.23,б). Внутренние контакты с помощью обычных, омических контактов с металлом выведены на поверхность, что позволяет соединять их с внешними цепями. Благодаря высокой степени легирования, контакты обладают ничтожным сопротивлением. Их единственная функция – обеспечить электрическое соединение.

На рис. 23,б изображён МДП-транзистор с необходимыми для работы подключениями. Здесь используется основная схема включения – с общим, или заземлённым истоком. Это название отражает очевидное: в такой схеме исток заземлён и является общим узлом для источников U_зи и U_си.

При подаче на затвор положительного напряжения U_зи, превышающего пороговое напряжение U₀, обеспечивается режим инверсии МДП-структуры. В подзатворной области появляется слой полупроводника n-типа – канал. Канал электрически соединяет исток и сток. Поэтому, если подано напряжение на канал U_си, в канале появится ток канала. Ток канала, ток истока и ток стока равны между собой. Этот ток принято называть током стока I_с. По характеру I_с является дрейфовым током основных носителей.

Чем больше U_зи, тем больше толщина канала, концентрация свободных электронов в нём и поэтому больше ток I_с.

При любых U_зи < U₀ режим МДП-структуры – обогащение или обеднение. Канала нет, исток и сток разделены полупроводником p-типа, ток между ними невозможен (закрытое состояние транзистора).

Полное название такого транзистора – МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа, обусловлено тем, что под воздействием поля затвора в нем появляется (индуцируется) канал со свойствами полупроводника с электронной проводимостью.

Существуют и p-канальные МДП-транзисторы. В них используется МДП структура с полупроводником n-типа. Р-канал появляется при отрицательном напряжении U_зи < U₀. Такие транзисторы менее распространены, т.к. подвижность дырок меньше, чем подвижность свободных электронов. При равных прочих условиях в n-канальном транзисторе ток в несколько раз больше.

6.3 Основные параметры МДП-транзистора

Основным средством описания электрических свойств МДП-транзистора является система параметров. Параметры используются, в частности, при компьютерном моделировании, являющимся главным «инструментом» разработки, изготовления и эксплуатации электронных устройств.

Одним из главных параметров МДП-транзистора является пороговое напряжение U₀. От него зависит напряжение, мощность, размеры и стоимость источника питания МДП интегральных схем и отдельных МДП-транзисторов. Стоимость, размеры и масса источника может достигать половины этих характеристик самого электронного устройства (например, батареи гаджета).

Пороговое напряжение определяется свойствами материалов МДП-структуры и её главным размером – толщиной диэлектрического слоя d:

, (32)

(((сразу подставить сюда )))

Где – контактная разность потенциалов металл – полупроводник;

d – толщина диэлектрика;

q – элементарный электрический заряд;

– абсолютная электрическая постоянная;

– относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика;

N – концентрация примеси в полупроводнике.

Большинство величин в (32) диктуются общими особенностями современной технологии – выбором типа полупроводника (кремний), диэлектрика (SiO₂), металла (алюминий). Поэтому основным способом уменьшения U₀ является уменьшение d. На сегодня d составляет доли нанометра , т.е. всего несколько межатомных расстояний. В результате достигнуты U₀ ≈ 0,5 В. Это позволяет использовать источники питания с напряжением менее 1 В.

Другим важнейшим параметром МДП-транзистора является барьерная ёмкость затвор-канал C_зк:

C_зк = ε₀ε_дS/d = ε₀ε_дWL/d, (33)

где S – площадь затвора, W и L – ширина и длина затвора.

От C_зк зависит время отпирания и запирания транзистора, т.е. его импульсные и частотные свойства. Поэтому W и L должны быть минимизированы. Однако это противоречит обеспечению необходимого тока в канале I_с. В мощных МДП-транзисторах это противоречие разрешается увеличением W до нескольких метров, чем увеличивается площадь поперечного сечения канала и понижается плотность тока в нём.

Примером мощного МДП-транзистора является транзистор……… у которого I_{c макс} = 10 А, W = 2 м, L = 1 мкм. Проблема столь большой ширины канала в таких транзисторах решается изготовлением канала в форме меандра, рис. 24. Здесь изображены виды сверху на МДП-транзисторы с

обычным (а) и увеличенным (б) отношением W/L.

Важным параметром является также удельная крутизна B [А/В²]. Она характеризует усилительные свойства МДП транзистора – зависимость полезного выходного тока I_с от входного напряжения U_зи. В первом приближении эта зависимость описывается двумя уравнениями:

I_с = 0,5B(U_зи - U₀)², при U_зи > U₀ (открытое состояние)

(34)

I_с = 0, при U_зи < U₀ (закрытое состояние)

Рис. 24

Очевидно, что ток в канале I_с тем больше, чем больше коэффициент подвижности носителей в канале µ, его ширина W и проницаемость диэлектрика ε_дε₀. Естественно также, что I_с уменьшается с увеличением толщины диэлектрика d (слабеет поле) и увеличением длины канала (растёт его сопротивление). Поэтому

B = µε_дε₀W/d·L (35)

Главный коэффициент, характеризующий усиление электронных элементов и устройств – коэффициент усиления по мощности К_р = Р_вых/Р_вх. У МДП-транзисторов К_р может быть очень большим. Это связано с тем, что вход транзистора, затвор отделён (изолирован) от канала диэлектрическим слоем. При постоянном входном напряжении U_зи входного тока I_з практически нет и Р_вх = U_зиI_з ≈ 0. Однако при переменном входном напряжении из-за наличия ёмкости затвор-канал появляется комплексный входной ток. Этот ток и, следовательно, входная мощность тем больше, чем быстрее изменяется U_зи при отпираниях и запираниях транзистора или чем выше частота усиливаемого сигнала.

6.4. Статические характеристики МДП-транзистора

Статическими характеристиками называют графики зависимости одних постоянных напряжений и токов электронных элементов и цепей от других их напряжений и токов. Примерами статических характеристик являются ВАХ диода Шотки или p-n диода.

Транзисторы всегда включаются как четырёхполюсник, имеющий вход и выход. Входные характеристики связывают входные напряжения и токи, выходные характеристики связывают выходные напряжения и токи. Проходные, или переходные характеристики связывают какие-нибудь входные величины с выходными или наоборот.

Примером статической характеристики является проходная характеристика МДП-транзистора, рис. 25. Она соответствует

Рис. 25

зависимостям (34). Т.к. она связывает ток стока и напряжение на затворе, её называют также стоко-затворной характеристикой.

На рис. 25 штриховой линией изображена также стоко-затворная характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа. В таком транзисторе пороговое напряжение отрицательное, канал существует при отрицательных U_зи.

На рис. 26 изображены выходные характеристики МДП-транзистора.

Рис.26

Они отражают зависимость выходного тока I_с от выходного напряжения U_си. Этот ток зависит ещё и от входного напряжения U_зи. Поэтому выходные характеристики обычно изображаются в виде семейства характеристик. Каждая из характеристик семейства соответствует некоторому неизменному U_зи. В результате семейство характеристик отображает обе важнейшие зависимости: I_с = f₁(U_си) и I_с = f₂(U_зи).

Выходные характеристики МДП-транзисторов имеют два характерных участка. Первый участок соответствует малым значениям U_си. В этой области канал по всей своей длине одинаков, его сопротивление R_к определяется только неизменным значением U_зи и поэтому R_к = const. При неизменном сопротивлении зависимость тока от напряжения подчиняется закону Ома. Отсюда название этого участка – омический. Он представляет собой отрезок прямой из начала координат.

С дальнейшим увеличением U_си форма канала начинает изменяться, рис. 27. Потенциал истока в схеме с общим истоком равен нулю и неизменен.

Рис. 27

Поэтому разность потенциалов затвор-канал и сила поля вблизи истока также неизменны. Канал здесь сохраняет исходную толщину и концентрацию свободных электронов. Вблизи стока, потенциал которого равен U_си, разность потенциалов затвор-канал равна U_зи - U_си. Поэтому с ростом U_си поле затвора здесь ослабевает. Канал вблизи стока становится тоньше, R_к увеличивается. Омический участок сменяется участком насыщения.

Такие же по форме выходные характеристики имеют МДП-транзисторы со встроенным каналом, рис. 28.

Они находят ограниченное применение из-за необходимости изготовления дополнительного n-слоя между истоком и стоком. Этот слой выполняет функцию канала, который существует в таком транзисторе и при U_зи = 0. Как и в транзисторах с индуцированным каналом, в МДП транзисторах со встроенным каналом в зависимости от напряжения на затворе наступает обогащение или обеднение канала. При достаточно

Рис. 28 Рис. 29

сильном обеднении, т.е. при U_зи < U₀, наступает режим инверсии полупроводника под затвором. Канал исчезает, транзистор запирается. Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа изображена на рис. 29. Здесь же штриховая линия соответствует p-канальному варианту транзистора.

Выходные характеристики всех рассмотренных в разделе 6.5 транзисторов имеют только количественные отличия, рис. 26.

Общепринятые условные обозначения всех МДП-транзисторов приведены в Приложении 2.

6.5. МДП-транзистор с плавающим затвором

Устройство МДП-транзистора с плавающим затвором изображено на рис. 30.

Рис. 30 Рис. 31

В таком транзисторе два металлических слоя, выполняющих функцию двух затворов.

На верхний, обычный затвор, может быть подано внешнее напряжение U_зи в виде короткого импульса, рис. 31. Возникает электрическое поле, которое заряжает внутренний, плавающий затвор. В зависимости от знака поданного U_зи, заряд плавающего затвора будет +Q или –Q. Этот заряд, в свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, проникающее в полупроводник. При +Q в полупроводнике возникает режим инверсии. Образуется n-канал, транзистор открыт. При отрицательном U_зи плавающий затвор приобретает заряд –Q. Канал исчезает (закрытое состояние).

Главное свойство такого транзистора - заряд плавающего затвора не исчезает после отключения U_зи. Благодаря тому, что плавающий затвор со всех сторон окружён высококачественным диэлектриком, пути для тока разряда нет и заряд затвора сохраняется в течение нескольких лет. В течение этого же времени сохраняется открытое или закрытое состояние. Таким образом, МДП-транзистор с плавающим затвором обладает свойствами ячейки памяти, способной хранить 1 бит информации.

Запись открытого состояния (условно единицы) осуществляется подачей на затвор короткого положительного импульса, рис. 31. Стирание прежнего заряда и переход в закрытое состояние (запись нуля) осуществляется подачей короткого отрицательного импульса.

МДП-транзисторы с плавающим затвором и их разновидности получили исключительно широкое распространение в современной электронике. На их использовании, в частности, основывается работа флеш-памяти.

6.6. Арсенид-галлиевый полевой транзистор

В арсенид-галлиевом полевом транзисторе (в дальнейшем GaAs-транзистор), как и в МДП-транзисторе, используется полевой эффект – влияние электрического поля на полупроводник. И хотя в GaAs-транзисторе нет диэлектрического слоя, подобием его является слой обеднённого полупроводника на границе металло-полупроводникового контакта Шотки.

В работе МДП- и GaAs-транзисторов много общего.

Устройство GaAs-транзистора поясняет рис. 32. Сам GaAs кристалл примесей не содержит. Благодаря большой ширине запрещённой зоны собственная концентрация беспримесного GaAs настолько мала, что по электропроводности этот полупроводник приближается к диэлектрикам. Поэтому проблемы влияния полупроводника, окружающего транзистор, не существует.

Рис. 32 Рис. 33

Канал в таком транзисторе изготавливается сразу, в виде слоя полупроводника n-типа. Металл затвора выбирается так, чтобы контакт между затвором и каналом являлся контактом Шотки. Как в любом другом таком m-n контакте, в приграничной части полупроводника возникает обеднённый слой.

При подаче на затвор положительного напряжения наступает обогащение канала. Обеднённый слой сужается, канал расширяется. Ток канала I_с увеличивается (U_си ≠ 0). При подаче отрицательного напряжения на затвор обеднённый слой расширяется. При пороговом напряжении –U₀ канал исчезает, транзистор запирается. Типичная стоко-затворная характеристика GaAs-транзистора изображена на рис. 33.

Использование GaAs-транзистора при положительных напряжениях U_зи > 0,2…0,4 В приводит к отпиранию m-n перехода и появлению в нём значительного тока. В основной схеме включения полевых транзисторов, схеме с общим истоком, это входной ток I_з. Поэтому возрастает входная мощность и снижается усиление транзистора. При U_зи > 0,2…0,4 В такой транзистор не используется.

Большим достоинством GaAs является исключительно высокая подвижность свободных электронов. Коэффициент подвижности µ_n арсенида галлия в 6 раз превышает µ_n кремния. Поэтому быстродействие и частотные свойства GaAs-транзисторов и интегральных схем потенциально намного выше, чем кремниевых. Известны успешные применения таких транзисторов в СВЧ диапазоне (спутниковая связь) и попытки применения GaAs в сверхбыстродействующих ИС (цифровая электроника).

7. N-P-N И P-N-P СТРУКТУРЫ. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

7.1. Основные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор (в дальнейшем БТ) является электронным элементом с двумя р-n переходами (рис. 34).

Рис. 34

Здесь изображён БТ со структурой n⁺–р–n, хотя возможна, но менее распространена p⁺–n -p структура. В работе таких БТ принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия: n⁺ – эмиттер (область, “испускающая” носители); р – база и n (на рис. 34 – область справа) – коллектор (т.е. область, “собирающая” носители).

Каждая область снабжена омическими контактами металл-полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором – коллекторный переход (КП).

Важнейшими особенностями конструкции являются:

1) малая толщина базы, не более 0,5 мкм;

2) малая концентрация примеси в базе, порядка 10¹⁶ см^-3;

3) большая концентрация примеси в эмиттере, до 10²⁰ см^-3.

Только при соблюдении перечисленных условий БТ способен проявлять свои главные свойства: усиливать электрические сигналы, а также работать в качестве ключа.

Возможны четыре режима БТ:

1) ЭП открыт, КП закрыт - активный, или усилительный режим. Единственный режим, в котором возможно неискажённое усиление сигналов;

2) ЭП закрыт, КП закрыт – режим отсечки. Используется в ключе, закрытое состояние ключа;

3) ЭП открыт, КП открыт – режим насыщения. Используется в ключе, открытое состояние ключа;

4) ЭП закрыт, КП открыт – инверсный режим, обратный по отношению к активному режиму. Не используется, как не эффективный.

Общепринятые условные обозначения БТ приведены в Приложении 2.

7.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой

На рис. 35 изображена одна из схем включения БТ – схема с общей базой. Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи.

Рис. 35

Для изучения процессов в БТ наиболее удобен усилительный, или активный режим. Он создаётся двумя внешними напряжениями:

1) U_эб – входное напряжение, прямое для эмиттерного перехода;

2) U_кб– выходное напряжение, обратное для коллекторного перехода.

В открытом ЭП, благодаря прямому напряжению, снижаются φ_к и потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток основных носителей I_э. При этом I_э имеет электронную I_эn и дырочную I_эp составляющие. Так как концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, I_эn >> I_эp. Поэтому в ЭП наблюдается практически односторонний диффузионный ток свободных электронов в базу, так называемая инжекция.

Свободные электроны в базе являются неосновными носителями. Их больше вблизи ЭП, откуда они поступают, поэтому в базе возникает градиент концентрации dn/dw и неосновные носители диффундируют к КП. КП заперт напряжением U_кб, поэтому его электрическое поле для неосновных носителей – ускоряющее. Благодаря этому они извлекаются из базы в коллектор (экстракция). Появляется полезный выходной ток I_к.

Так как база тонкая и слаболегированная, при продвижении неосновных носителей через базу только небольшая их часть рекомбинирует с основными носителями базы (не более 1…2%). В противном случае наблюдалось бы значительное уменьшение выходного тока I_к.

Рекомбинация в базе несколько уменьшает концентрацию её основных носителей — дырок. Электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной примеси. Этот заряд создаёт так называемый рекомбинационный ток в выводе базы I_{б рек}. Еще одна составляющая тока базы легко обнаруживается при разорванной цепи эмиттера. Тока в ЭП и инжекции при этом нет. В КП протекает небольшой по величине обратный ток коллектора I_кб0, создаваемый обратным напряжением U_кб.

Таким образом, в указанном режиме в БТ действительны следующие соотношения токов:

I_э = I_к + I_б (закон Кирхгофа для БТ, рассматриваемого как узел цепи) (36)

I_к = α I_э + I_кб0 (37)

I_б = I_{б рек} – I_кб0 (38)

Эти уравнения называют основными уравнениями БТ в схеме с общей базой.

В кремниевых транзисторах, наиболее распространённых сегодня, I_кб0 пренебрежимо мал. Поэтому из (37) следует: α = I_к / I_э.

Коэффициент передачи эмиттерного тока α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением

, (39)

где R_н –сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи;

r_э - сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое.

Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), R_н может на несколько порядков превышать r_э. Поэтому, согласно (39), К_p может достигать многих тысяч раз.

На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции.

Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции

, (40)

где I_эn – полезный ток инжекции;

I_эр – бесполезный встречный дырочный ток;

N_эи N_б – концентрация примесей в базе и эмиттере.

Увеличивая N_э, можно получить γ = 0,999 и более.

Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса κ, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:

κ = I_K / I_Эn (41)

Этот коэффициент тем ближе к максимальному значению κ = 1, чем тоньше база и меньше в ней концентрация примесей.

Пренебрегая дырочной составляющей эмиттерного тока, умножив (40) на (41) получим: