Материал: Kont_v_Str-PP_ME_1

концентрация примеси в подложке ND = 1016 см–3; Z = 100 мкм; L = 5 мкм;

плотность положительного заряда в диэлектрике Ni = 1013см–2;

p = 2000 см2/(В·с).

Указание. Для вычислений воспользуйтесь уравнениями (5.12) – (5.14). Поскольку рассматривается p-канальный транзистор, то в уравнении (5.14) надо у второго и третьего слагаемых поменять знак «+» на знак «–».

Задача 5.25. Постройте ЭД для структуры, образующейся вдоль линии в-в' кремниевого МДП-транзистора, изображенного на рис. 5.6, для следующих условий: 1) равновесия (U D UG 0 ); 2) наличия смещающих напряже-

ний: U D 0 , UG 0 ; б) U D U D.sat , UG UT ; в) UG UT , U D U D.sat . При построении ЭД считайте US USub 0. Для всех четырех случаев изобразите

качественно соответствующие ветви выходных ВАХ транзистора.

Задача 5.26. Постройте ЭД для структуры, образующейся вдоль линии а-а' МДП-транзистора (см. рис. 5.6), для следующих условий: 1) равновесия (UD UG USub 0 ); 2) при смещающих напряжениях UG UT ,

U D USub 0; 3) при UG UT , UD UT , USub 0.

Указание. При решении задачи используйте приближение идеальной МДП-структуры, т. е. AM AS , QSur 0 и др. Условие 3 требует рассмотрения ситуации, когда между инвертированным слоем полупроводника (каналом) и объемной областью (подложкой) приложено обратное смещающее напряжение U D USub . В этой неравновесной ситуации концентрация по-

движных носителей заряда в инвертированной области и в подложке будет ха-

рактеризоваться квазиуровнями Ферми (EF n , EF p ), причем эти два уровня будут разнесены на величину q(UD USub ) . В данной ситуации для реализа-

ции условия сильной инверсии по-

Задача 5.27. На рис. 5.8 схематично показано сечение МДП-транзи- стора. С помощью построения энергетической диаграммы вдоль линии а-а'

докажите неработоспособность изображенного транзистора.

Задача 5.28. Рассчитайте пороговое напряжение n-канального кремниевого МОП-транзистора обедненного типа. Толщина подзатворного оксида

66

50 нм; затворы выполнены из алюминия; примесная концентрация в подложке N A = 1015 см–3; поверхностная плотность положительных зарядов оксида

NS QS q = 1011 см–2.

5.4. Полевые транзисторы на основе гетероструктур

Принцип действия полевых транзисторов на основе гетероструктур аналогичен принципу действия ПТШ. Далее для определенности будем называть такие транзисторы «селективно легированные гетеротранзисторы» (СЛГТ). Между металлическим затвором и расположенным под ним слоем арсенида галлия–алюминия образуется управляющий переход металл–полупроводник. Обедненная область этого перехода в основном располагается в слоях арсенида галлия–алюминия. Под действием управляющего напряжения затвор–ис- ток изменяются толщина обедненной области перехода металл–полупровод- ник, концентрация электронов в области «2D-газа» и ток стока. При достаточно большом отрицательном напряжении затвор–исток, равном пороговому, обедненная область расширяется настолько, что полностью вытесняет электроны из канала области «2D-газа». Ток стока при этом прекращается. Основными особенностями таких транзисторов являются: очень высокая подвижность электронов в канале «2D-газ», обусловленная отсутствием рассеяния электронов на ионизированных примесях и квазидвумерном характере их движения в канале; высокая крутизна, обусловленная близостью металла затвора к каналу и высоким значением диэлектрической постоянной AlGaAs. Оба этих параметра крайне важны для быстродействующих транзисторов.

На рис. 5.9 показано поперечное сечение типичной структуры СЛГТ и ее основные элементы: металлы истока, стока, затвора и эпитаксиальные слои GaAs и AlGaAs. Главная часть структуры – это граница раздела между нелегированным слоем уз-

козонного GaAs и легированным слоем широкозонного AlGaAs, т. е. селек- тивно-легированный гетеропереход. Именно на границе этих слоев и формируется канал с высокой подвижностью электронов.

Для понимания принципа действия СЛГТ полезно воспользоваться энергетической диаграммой.

67

На рис. 5.10 приведена равновесная ЭД, построенная для сечения а–а' нормально открытого транзистора изображенного на рис. 5.9.

Рис. 5.10. Энергетическая диаграмма подзатворной

области

На ЭД показана область «2D-газ» протяженностью d, расположенная в

GaAs, и две обедненные электронами области W1 и W2 в AlGaAs. Область W1

обусловлена барьером Шоттки на границе полупроводника с металлом за-

твора, область W2 – диффузией электронов в канал.

В настоящее время наряду со структурой AlGaAs/GaAs интенсивно исследуются и разрабатываются полевые транзисторы на основе гетероструктур AlGaN/GaN и AlGaAs/InGaAs/GaAs. На таких структурах создаются перспективные изделия СВЧ-микроэлектроники и радиационно-стойкой электроники.

Задача 5.29. Постройте равновесную ЭД, подобную показанной на рис. 5.10, для нормально закрытого СЛГТ. Как изменится ЭД, если на затвор транзистора подать напряжение, достаточное для того, чтобы транзистор был открыт? Какой полярности должно быть напряжение? Ответы поясните с помощью построения ЭД.

Задача 5.30. Постройте ЭД, соответствующую случаю, когда на затвор нормально открытого СЛГТ (см. рис. 5.9) подано напряжение, достаточное для того, чтобы транзистор был закрыт.

Задача 5.31. Изобразите структуру СЛГТ с p-каналом «2D-газ», аналогичную показанной на рис. 5.9. Постройте равновесную ЭД для сечения затвор– подложка такого транзистора и поясните принцип его работы.

Задача 5.32. Решите задачу 5.29 для СЛГТ с p-каналом.

6. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Структура биполярного транзистора (БПТ) представляет собой три области полупроводника с чередующимся типом электропроводности, которые образуют два перехода, расположенных в непосредственной близости один от

68

другого. Три области, обозначенные на рис. 6.1 Э, Б, К, называются, соответственно, эмиттером, базой и коллектором. В зависимости от типа электропроводности этих областей различают p–n–p- и n–p–n-транзисторы. Соответствующие обозначения данных БПТ показаны на рис. 6.1. К внешним областям Э, Б, К присоединены металлические электроды, обеспечивающие невыпрямляющий (омический) контакт с полупроводником.

Рис. 6.1. Блок-схема биполярного транзистора

Структура БПТ ИС отличается от схематического изображения транзистора на рис. 6.1. Это обусловлено планарной технологией их изготовления с применением методов эпитаксии, диффузии, ионной имплантации.

На рис. 6.2 схематично показано поперечное сечение интегрального БПТ. Активная область такого транзистора по существу и представляет транзистор-прототип. Другие элементы структуры, обеспечивающие планарность конструкции, являются вспомогательными элементами транзистора.

Задача 6.1. Рассмотрите работу n–p–n-типа БПТ (рис. 6.1) и, используя простейшую диффузионную модель, получите выражение для тока, протекающего через базовую область.

Указание. Для понимания сути работы транзистора целесообразно представить физические явления, используя ряд допущений и приближений. Уровень допустимых приближений зависит от того, с какой точностью требуется объяснить реальные характеристики транзистора. Простейшая диффузионная модель n–p–n-транзистора предполагает следующие приближения.

1. Рассматривается одномерная модель транзистора, т. е. транзистор-про- тотип (см. рис. 6.1).

69

2. Не учитывается дырочный ток J p 0 , а следовательно, из уравнения

qp dx

3.Предполагается квазиравновесие носителей заряда и равномерное распределение концентрации легирующей примеси.

4.Из предположений 2 и 3 вытекает предположение об отсутствии дрейфовой составляющей тока базы.

5.Уровень инжекции мал, т. е. концентрация основных носителей практически соответствует их концентрации в состоянии теплового равновесия.

6.Не учитываются процессы генерации и рекомбинации в обедненных областях p–n-переходов.

Решение. Запишем плотность электронного тока Jn в базовой области с

учетом (6.1) и Dnq : kT

Проинтегрируем (6.2) по всей области базы. Полагая что Jn не зависит от x и раскрывая дифференциал от произведения, получим:

Произведение концентраций электронов и дырок на границе обедненного слоя смещенного p–n-перехода определяется формулой

qU

С учетом (6.4) электронный ток через БПТ, имеющий поперечное сечение S, можно записать в виде

70