Принцип действия МДП-транзисторов с индуцированным каналом

 

Рассмотрим р-канальный МДП-транзистор в схеме включения с общим истоком. Потенциал истока считаем равным нулю. При напряжении затворе относительно истока, равном нулю и при наличии напряжения на стоке (U_ЗИ = 0, U_СИ¹ 0) ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток р-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока.

При отрицательном потенциале на затворе при |U_ЗИ|<|U_ЗИпор| у поверхности полупроводника возникают обедненный слой и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов (в рассматриваемом случае - доноров). При |U_ЗИ|>|U_ЗИпор| у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является проводящим каналом между истоком и стоком.

С изменением напряжения на затворе изменяется концентрация носителей заряда в проводящем канале, а также толщина этого канала. Основной причиной модуляции сопротивления проводящего канала в МДП-транзисторах с индуцированным каналом являетcя изменение концентрации носителей в проводящем канале (в полевых транзисторах с управляющим переходом основной причиной является изменение толщины канала).

При изменении сопротивления проводящего канала меняется и ток стока, то есть происходит управление током стока. В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электрических сигналов по напряжению и по мощности.

Исходным полупроводником для полевых транзисторов с изолированным затвором в основном является кремний. Поэтому в качестве диэлектрика под затвором используется обычно слой диоксида кремния SiO, выращенный на поверхности кристалла путем высокотемпературного окисления.

Полевой транзистор с изолированным затвором, в котором в качестве изоляционного слоя между металлическим затвором и проводящим каналом использован оксид полупроводника, называют МОП-транзистором. Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 8.7 а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока, которые называют пороговым напряжением (U_СИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 8.7 б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой - канал, который соединяет исток со стоком.

Изображенные на (рис. 8.7 а и б) структуры имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал в данном случае имеют электропроводность p-типа. На рис.8.7 в и г изображены структуры с n-каналом.

Выпрямляющие электрические переходы под истоком и стоком чаще всего выполнены в виде p-n- переходов.

 

МДП-транзисторы со встроенным каналом

 

В МДП-транзисторах со встроенным каналом проводящий канал под затвором существует при отсутствии напряжения на затворе. Проводящий канал под затвором МДП-транзистора может быть создан в результате локальной диффузии или ионной имплантации соответствующих примесей в приповерхностный слой подложки. Он может возникнуть из-за перераспределения примесей вблизи поверхности полупроводниковой подложки в процессе термического окисления ее поверхности. Наконец, проводящий канал может появиться под затвором из-за фиксированного заряда в подзатворном диоксиде кремния, а также из-за наличия контактной разности потенциалов между металлом затвора и полупроводником подложки.

Модуляция сопротивления канала происходит при изменении напряжения как положительной, так и отрицательной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения.

 

Сравнение полевых транзисторов

С биполярными

 

1. Принцип действия. В биполярном транзисторе управление входным сигналом производится входным током, а в полевом - входным напряжением или электрическим полем.

2. Биполярные транзисторы имеют низкое входное сопротивление, а полевые – высокое.

3. Полевые транзисторы, как правило, обладают более низким уровнем шума (особенно на низких частотах). В биполярных транзисторах на низких частотах шумы связаны с рекомбинацией носителей в р-n-переходе и базе, а также генерационно-рекомбинационными процессами на поверхности прибора.

4. Поскольку полевые транзисторы являются униполярными приборами, они не чувствительны к эффектам накопления неосновных носителей, и поэтому имеют более высокие граничные частоты и скорости переключения.

5. Усилители на биполярных транзисторах имеют более высокие коэффициенты усиления, чем на полевых.

Заключение

 

Современная наука развивается очень быстрыми темпами, в настоящее время объем научных знаний удваивается каждые 10 – 15 лет. Тем не менее, базовые знания сохраняются, становясь основой для дальнейшего развития науки. Рассмотренные в данном пособии вопросы являются базой для более глубокого изучения и понимания развития современных технологий: микроэлектроники, оптоэлектроники, нанотехнологий, информационных технологий.

 

 

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 3

1.ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ.. 4

1.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц 4

1.2. Соотношение неопределенностей. 7

1.3. Волновая функция. 9

1.4. Уравнение Шредингера. 11

1.5. Задача квантовой механики о движении свободной частицы 12

1.6. Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме. 14

1.7. Понятие о туннельном эффекте. 19

1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа. 26

1.9. 1s– состояние электрона в атоме водорода. 29

1.10. Спин электрона. Принцип Паули. 31

1.11. Спектр атома водорода. 32

1.12. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. 34

1.13. Лазеры.. 35

1.13.1. Инверсия населенностей. 35

1.13.2. Способы создания инверсии населенностей. 37

1.13.3. Положительная обратная связь. Резонатор. 38

1.13.4. Принципиальная схема лазера. 38

1.14. Уравнение Дирака. Спин. 39

2. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ. 40

2.1. Понятие о квантовых статистиках. Фазовое пространство. 40

2.2. Энергетические зоны кристаллов. Металлы. Полупроводники. Диэлектрики. 42

2.3. Метод эффективной массы.. 45

3. металлы... 48

3.1. Модель свободных электронов. 48

3.2. Распределение электронов проводимости в металле по энергиям. Уровень и энергия Ферми. Вырождение электронного газа в металлах. 50

3.3. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов 55

3.4. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников. Применение сверхпроводимости. 57

3.5. Понятие об эффектах Джозефсона. 62

4. Полупроводники.. 63

4.1. Основные сведения о полупроводниках. Классификация полупроводников. 63

4.2.Собственные полупроводники. 64

4.3.Примесные полупроводники. 66

4.3.1.Электронный полупроводник (полупроводник n-типа) 67

4.3.2. Дырочный полупроводник (полупроводник р-типа) 69

4.3.3.Компенсированный полупроводник. Частично компенсированный полупроводник. 70

4.3.4.Элементарная теория примесных состояний. Водородоподобная модель примесного центра. 71

4.4.Температурная зависимость удельной проводимости примесных полупроводников. 74

4.4.1.Температурная зависимость концентрации носителей заряда 74

4.4.2.Температурная зависимость подвижности носителей заряда 77

4.4.3.Температурная зависимость удельной проводимости полупроводника n-типа. 79

4.4.5. Термисторы и болометры.. 79

4.5. Рекомбинация неравновесных носителей заряда в полупроводниках 81

4.6. Диффузия носителей заряда. Диффузионная длина. 83

4.6. Соотношение Эйнштейна между подвижностью и коэффициентом диффузии носителей заряда. 85

4.7. Эффект Холла в полупроводниках. 87

4.7.1. Возникновение поперечного электрического поля. 87

4.7.2. Применение эффекта Холла для исследования полупроводниковых материалов. 91

4.7.3. Преобразователи Холла. 91

4.8. Магниторезистивный эффект. 92

5. Электронно-дырочный переход.. 95

5.1.Образование электронно-дырочного перехода. 95

5.1.1. Электронно-дырочный переход в условиях равновесия (при отсутствии внешнего напряжения) 95

5.1.2.Прямое включение. 97

5.1.3.Обратное включение. 98

5.2.КласСификация полупроводниковых диодов. 98

5.3.Вольт-амперная характеристика электроннно-дырочного перехода. Выпрямительные, детекторные и преобразовательные диоды.. 98

5.3.1.Уравнение вольт-амперной характеристики. 98

5.3.2.Принцип действия и назначение выпрямительных, детекторных и преобразовательных диодов. 100

5.4. Барьерная емкость. Варикапы.. 101

5.5.Пробой электронно-дырочного перехода. 102

5.6. Туннельный эффект в вырожденном электронно-дырочном переходе. Туннельные и обращенные диоды.. 103

6.Внутренний фотоэффект в полупроводниках. 106

6.1.Фоторезистивный эффект. Фоторезисторы.. 106

6.1.1.Воздействие излучения на полупроводник. 106

5.1.2.Устройство и характеристики фоторезисторов. 107

6.2.Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Полупроводниковые фотодиоды и фотоэлементы. 108

6.2.1.Воздействие света на p-n-переход. 108

7.Люминесценция твердых тел.. 111

7.1.Виды люминесценции. 111

7.2.Электролюминесценция кристаллофосфоров. 112

7.2.1. Механизм свечения кристаллофосфоров. 112

7.2.2. Основные характеристики электролюминесценции кристаллофосфоров. 113

7.2.3.Электролюминесцентный источник света. 115

7.3.Инжекционная электролюминесценция. Устройство и характеристики светодиодных структур. 116

7.3.1.Возникновение излучения в диодной структуре. 116

7.3.2.Конструкция светодиода. 117

7.3.3.Основные характеристики светодиодов. 117

7.3.4.Некоторые применения светодиодов. 118

7.4 Понятие об инжекционных лазерах. 119

8. Транзисторы... 120

8.1.Назначение и виды транзисторов. 120

8.2.Биполярные транзисторы.. 120

8.2.1 Структура и режимы работы биполярного транзистора 120

8.2.2.Схемы включения биполярных транзисторов. 122

8.2.3.Физические процессы в транзисторе. 122

8.3.Полевые транзисторы.. 124

8.3.1.Разновидности полевых транзисторов. 124

8.3.2.Полевые транзисторы с управляющим переходом. 125

8.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Структуры МДП-транзисторов. 127

8.3.4.Принцип действия МДП-транзисторов с индуцированным каналом 128

8.3.5. МДП-транзисторы со встроенным каналом. 130

8.4. Сравнение полевых транзисторов. 130

с биполярными. 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………….…………………………………………………131

[1] Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.

 

1 – функция может быть комплексной величиной, поэтому , где - функция, комплексно сопряженная .

* Термин “инверсия” означает обращение, переворачивание.

[2]⁾ Инжекционный ток часто называют диффузионным током, так как он вызван диффузией основных носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер