ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебник по математике
Контрольные
Карта сайта

Изучение статических характеристик полевых транзисторов 

Основными элементами, применяемыми для усиления мощности электрических сигналов, являются транзисторы. Они выпускаются в виде отдельных элементов или входят в состав интегральных микросхем. Транзисторы можно разделить на два класса – биполярные и униполярные (полевые). В работе биполярных транзисторов принимают участие как положительные, так и отрицательные носители заряда, отсюда и термин “биполярный”. В униполярных транзисторах ток обусловлен только свободными основными носителями в проводящем канале и влияние малого количества неосновных носителей несущественно, отсюда и термин “униполярный”. Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим р–n-переходом и с изолированным затвором. В настоящем пособии будут рассмотрены полевые транзисторы малой мощности с управляющим р–n-переходом.

В полевом транзисторе с управляющим p–n-переходом используется два типа электрических контактов: выпрямляющие и омические. Для понимания принципа действия полевого транзистора необходим базовый уровень знаний по этим вопросам. В кратком виде основные вопросы теории p–n-перехода описаны в методических указаниях: “Изучение статических характеристик полупроводниковых приборов”, а более подробно в учебниках [1‑3] рекомендательного списка литературы. Можно использовать конспекты лекций по курсу “Твердотельная электроника”. Краткие основы теории омических контактов приведены в следующей главе. Более подробно они изложены в [4].

ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

С помощью омических невыпрямляющих контактов происходит электрическое соединение полупроводников с металлическими проводниками. От качества этих контактов в значительной степени зависят параметры и характеристики приборов, а также их надежность и срок службы. Основные требования комическим контактам: 1) при прямом смещении они должны обеспечивать инжекцию основных носителей в полупроводник; 2) при обратном смещении препятствовать инжекции неосновных носителей в полупроводник; 3) иметь минимальное электрическое сопротивление; 4) иметь линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ).

Эти условия выполняются при правильном подборе пары металл – полупроводник. Зонная диаграмма контакта металл - полупроводник n-типа приведена на рис. 1. Для этой пары должно выполняться соот

ношение Рм<Рn, где Рм – термодинамическая (внутренняя) работа выхода электрона из металла, а Рn – из полупроводника n-типа. В такой паре энергия электронов в металле больше, чем в полупроводнике, и при установлении термодинамического равновесия часть электронов из металла перетекает в полупроводник. Уровень Ферми WF в металле и полупроводнике выравнивается. Вблизи металлургической границы со стороны металла возникает тонкий слой dм, обедненный электронами (т.е. заряженный положительно), а со стороны полупроводника – слой dn, обогащенный электронами. Контактное электрическое поле Ек направлено из металла в полупроводник. Оно приводит к изгибу уровней энергии дна зоны проводимости Wc и верха валентной зоны Wc в области dn. Однако напряженность контактного поля на несколько порядков меньше внутриатомной, поэтому ширина запрещенной зоны DW и энергия сродства к электрону Рс остаются постоянными. Поле Ек способствует электрическому дрейфу основных носителей электронов из полупроводника в металл и препятствует дрейфу неосновных носителей дырок. В состоянии термодинамического равновесия дрейфовая InE и диффузионная InD, составляющие электронного тока через металлургическую границу, уравновешивают друг друга.

Большая концентрация электронов в области контакта обеспечивает его высокую проводимость при любой полярности внешнего смещения. Потенциальный барьер j = qy препятствует инжекции неосновных носителей – дырок.


Зонная диаграмма полупроводника n - типа с двумя омическими контактами при внешнем смещении приведена на рис.2. Проводимость металлов на несколько порядков больше проводимости полупроводников, поэтому практически все напряжение U будет приложено к полупроводнику n - типа, потенциал вдоль него изменяется линейно, также изменяется энергия электронов, и уровень Ферми имеет наклон. Левый омический контакт оказывается прямосмещенным, его толщина dпр становится меньше dn, и через небольшой горбик электроны из металла инжектируются в полупроводник n-типа, затем они скатываются вниз по наклону дна зоны проводимости, достигают обогащенной электронами зоны правого обратносмещенного контакта и через металлургическую границу попадают (стекают) в правый металлический контакт, откуда уходят во внешнюю цепь. Дырки из правого контакта не могут преодолеть потенциальный барьер и инжектироваться в полупроводник. Неосновные носители практически не участвуют в проводимости полупроводника.


Зонная диаграмма контакта металл – полупроводник р-типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.3. Для этой пары должно соблюдаться условие Рм >Рр, тогда при установлении термодинамического равновесия Eк направлено из полупроводника в металл, вблизи металлургической границы возникает обогащенная дырками область, а неосновные носители – электроны находятся в потенциальной яме глубиной j = qy и не могут инжектироваться в металл.


Изготовление омических контактов связано с большими трудностями. Концентрация дефектов и примесей на поверхности полупроводников существенно выше, чем в глубине монокристалла. На поверхности образуются обедненные основными носителями области и слои с инверсным типом проводимости, что существенно ухудшает свойства омических контактов. Для устранения этих недостатков создаются омические М–n+–n или М–р+–р контакты. Зонная диаграмма контакта М–n+–n в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.4. В связи с тем что металл контактирует с вырожденным полупроводником n+-типа, поверхностные дефекты не оказывают существенного влияния на качество контакта, а граница раздела вырожденный полупроводник n+ – низколегированный полупроводник n-типа находится в глубине монокристалла, где концентрация примесей и дефектов меньше, чем на поверхности. Аналогично изготавливают контакт М–р+–р.

На главную страницу сайта