Реферат: Полупроводники

Министерствообразования и науки РФ

Федеральноеагентство по образованию

Государственноеобразовательное учреждение

высшегопрофессионального образования

Иркутскийгосударственный технический университет

Реферат пофизике

«Полупроводники»

Иркутск 2010г.

Содержание

Введение

1.Полупроводники n-типа

2.Полупроводники p-типа

3.Носители зарядов

4.Прохождение тока

5. Транзисторные технологии

5.1 Точечные транзисторы

5.2 Эпитаксиальные транзисторы

5.3 Ионная имплантация

5.4 Полевой МОП-транзистор

5.5 ПТ с управляющим p-n-переходом

Список литературы

Введение

Если в полупроводник ввести примесь других веществ, то в дополнение ксобственной появляется еще ипримесная электропроводность, которая в зависимостиот рода примеси может быть электронной или дырочной.

1. Полупроводники n-типа

Если к четырехвалентному кремнию добавить пятивалентнуюсурьму (Sb), мышьяк (As) или фосфор (P), то их атомы, взаимодействуя с атомамикремния только четырьмя своими электронами, пятый отдадут в зону проводимости.В результате добавляется некоторое число электронов проводимости. Сам атомпримеси при отдаче электрона становится положительным ионом. Примеси, атомыкоторых отдают электроны, называются донорами.

Полупроводникис преобладанием электронной электропроводности называются электроннымиполупроводниками или полупроводниками n-типа. Зонная диаграмма такогополупроводника показана на рис. 1.

/>

Рис. 1 — Зонная диаграмма полупроводника n-типа

Энергетическиеуровни донора расположены немного ниже зоны проводимости, и таким образом вэтой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомовдонора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются.

2.Полупроводники p-типа

Если же в четырехвалентный кремний ввести примесьтрехвалентного бора (B), индия (In) или алюминия (Al), то их атомы отнимаютэлектроны от атомов кремния, оставляя в наследство у кремния дырки. Такиепримеси называютсяакцепторами. Сами атомы акцептора заряжаются отрицательно.

Полупроводникис преобладанием примесной электропроводности называютсядырочнымиполупроводникамиилиполупроводниками p-типа. Зонная диаграмма такогополупроводника показана на рис. 2:

/>

Рис. 2 Зонная диаграмма полупроводника р-типа

Как видно,энергетические уровни акцепторов располагаются немного выше валентной зоны. Наэти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этомвозникают дырки.

Вполупроводниковых приборах главным образом используется примесная донорная,либо акцепторная электропроводность. При обычных рабочих температурах в такихполупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примеснойэлектропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватываетодин электрон.

3. Носителизарядов

Чтобыпримесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомовдонорной примеси NД или акцепторной NА должна превышатьконцентрацию собственных носителей заряда. Носители заряда, концетрация которыхв данном полупроводнике преобладает, называются основными. Например, имиявляются электроны в полупроводнике n-типа. Неосновными называются носители,концентрация которых меньше, чем основных. Концентрация неосновных носителей впримесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличиваетсяконцентрация основных носителей. Интересно, что концентрация примеси всего лишь0,0001% (один атом примеси на четыре с лишним миллиона атомов германия (иликремния)) увеличивает концентрацию основных носителей заряда в 1000 раз ну исоответственно увеличивается проводимость.

4.Прохождение тока

Рассмотримпрохождение тока через полупроводники с разным типом проводимости, дляупрощения пренебрежем током основных носителей. На рисунке представленыусловные изображения прохождения тока через полупроводники с электронной идырочной электропроводностью.

/>

/>

Рис. 3 Ток в полупроводниках с электронной и дырочной электропроводностью

На рисунке плюсами иминусами обозначены заряженные атомы кристаллической решетки. Электронысоответственно темные, дырки красные кружочки со стрелочками. Под действием ЭДСисточника в проводах, соединяющих полупроводник n-типа с источником, и в самомполупроводнике движутся электроны проводимости. В соединительных проводахполупроводника p-типа по прежнему движутся электроны, а в самом полупроводникеток следует рассматривать как движение дырок. Электроны с отрицательного полюсапоступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки. К положительному полюсуприходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частяхобразуются дырки, которые перемещаются от правого края к левому. Вэлектротехнике принято условное направление тока от плюса к минусу. Приизучении электронных приборов удобнее рассматривать прохождение тока от минусак плюсу, что, собственно, и является истинным направлением тока.

/>5.Транзисторные технологии

5.1 />Точечные транзисторы

Первым прибором,позволившим получить заметное усиление тока, был точечный транзистор Браттейнаи Бардина. Такой транзистор представляет собой кусочек германия n-типа,припаянный к металлическому основанию, которое играет роль базового контакта.Эмиттерным и коллекторным контактами служат две заостренные бронзовыепроволочки, прижатые концами к противоположной стороне германиевого элемента(рис. 4). Если расстояние между такими точечными контактами достаточно мало(порядка нескольких десятков микрометров), то можно получить коэффициентусиления тока, превышающий единицу. Удовлетворительный эмиттер можно сделатьпочти из любого металла, но хороший коллектор обязательно должен содержатьпримесь n-типа. Коллекторные контакты формируются подачей на коллекторный выводимпульса сильного тока. При этом медь проволочки с большой скоростьюдиффундирует в материал n-типа коллектора (германий) и в небольшой областипревращает его в материал p-типа. Медленно же диффундирующий материал примеси(скажем, фосфор) в непосредственной близости от контакта снова превращаетматериал в германий n-типа. В результате образуется структура pnpn-транзистора(транзистора с коллекторной ловушкой). Теория, объясняющая работу точечноготранзистора образованием pnpn-структуры, оказалась наиболее приемлемой.

/>

Рис. 4. Точечныйтранзистор, изображенный схематически. Две заостренные проволочки прижаты кполупроводниковому кристаллу n-типа (германий), припаянному к металлическомукристаллодержателю. 1 – латунный или иной кристаллодержатель; 2 – областиp-типа; 3 – припой или золотой сплав (контакт базы); 4 – кристалл n-типа; 5 –эмиттерный точечный контакт (бериллиевая бронза); 6 – коллекторный точечныйконтакт (фосфористая бронза); 7 – область n-типа.

Точечные транзисторы былитрудно воспроизводимы при изготовлении и неустойчивы во времени. Когда в 1949Шокли опубликовал свою теорию транзистора сp-n-переходами, вниманиеисследователей переключилось на транзисторы с выращенными переходами. />Транзисторы с выращенными переходами.Для изготовленияпервых точечных транзисторов использовался поликристаллический материал снеоднородными характеристиками. Для выращенных переходов требовались германий ссодержанием загрязнений менее 1Ч10–8и технология, которая позволялабы изменять содержание примеси на величину порядка 1Ч10–7.

/>Зоннаяочистка. Самый эффективный способ получения кристаллов германия нужной степеничистоты – метод зонной очистки (плавки) – был предложен в начале 1950-х годовУ.Пфанном. По этому методу слиток германия, загрязненного примесями, длиной ок.50 см помещается в графитовой лодочке в длинную горизонтальную кварцевую трубу,которая проходит через ряд нагревательных индукционных катушек. Каждая из нихсоздает узкую зону расплавленного германия, перемешающуюся вдоль слитка соскоростью ок. 25 см/ч. Примеси вместе с движущимися зонами расплаваперемещаются к концу слитка, где их собирают и удаляют в отходы. Германий,полученный таким методом, – это, пожалуй, самый чистый из существующихматериалов. Далее требует решения вопрос о легировании германия вкристаллической форме./>

Вытягивание кристаллов. Способ выращивания кристаллов путемвытягивания из расплава под названием метода Чохральского был известен с 1918,но лишь примерно в 1950 он был успешно применен в технологии полупроводников. Индукционнаякатушка, окружающая графитовый тигель с чистым германием, наводит токи вграфите, нагревая тигель выше точки плавления германия. Все это устройствопомещено в прозрачную кварцевую трубу, наполненную инертным газом, как правилоаргоном, который защищает поверхность германия от газообразных загрязнений. Врасплав вводится примесьn-типа, обычно в виде легированного германия, котораяпозволяет сформировать коллектор транзистора. Примесь быстро и равномернораспределяется по расплаву. В расплав опускают затравку в виде небольшогомонокристалла и медленно вытягивают ее. Германий затвердевает на затравке, и засчет роста в боковом направлении образуется кристалл диаметром ~2,5 см.(Затравку и тигель с расплавом непрерывно вращают для равномерногоперемешивания.) Когда образуется кристалл определенного диаметра, егонаращивают еще немного и в расплав вводят небольшое количество примесиp-типа.Эта примесь компенсирует первоначальную примесь n-типа и, кроме того, образуетновую область кристалла. Материал примеси p-типа быстро и равномерно расходитсяпо расплаву, образуя тонкий слой базы p-типа. После этого еще добавляют примесьn-типа для образования эмиттера, а затем кристалл извлекают из расплава.Хорошие транзисторы получаются, как правило, при отношениях удельногосопротивления добавок примеси примерно 1:10.

Описанный метод плох тем,что из расплава может быть вытянут только один слиток, так как содержаниепримеси в конечном (эмиттерном) расплаве слишком велико, чтобы он мог служитьисходным (коллекторным) расплавом для следующего слоя транзисторов. Но былнайден остроумный метод, позволяющий устранить эту трудность.

Примеси накапливаютсянепосредственно перед перемещающейся в расплаве границей между твердым и жидкимматериалом. Степень накопления (концентрация) примесей зависит от скоростироста твердой фазы. Если доноры и акцепторы, введенные в жидкую фазу, таковы,что одни из них больше «предпочитают» твердую фазу, чем другие, топри вытягивании кристалла с чередованием ускорения и замедления образуютсячередующиеся слои n- иp-типа, и в одном слитке можно получить целый рядтранзисторных слоев.

В результате на большомкристалле образуется полупроводниковаяnpn-структура, пригодная для изготовлениятранзисторов (сэндвич). Разумеется, таким же способом можно получать и слои pnp-типа.Сэндвич отпиливают от кристалла и разрезают в двух взаимно перпендикулярныхнаправлениях на отдельные транзисторные элементы длиной ок. 3 мм с поперечнымсечением 0,6ґ0,6 мм. Эти элементы протравливают для удаления повреждений,возникших при разрезании, и к концам припаивают выводы. Перемещая с помощьюмикроманипулятора заостренную проволочку толщиной 0,05 мм по поверхностигерманиевого элемента, электрически определяют участокp-типа проводимости базыи импульсом малого тока приваривают к нему базовый вывод.

У транзисторов свыращенными переходами также имеются существенные недостатки, ограничивающие возможностиих применения. Коэффициент усиления таких транзисторов не очень велик. Частота,на которой возможно усиление, ограничивается толщиной базы и при толщине,равной 1 мм, не может быть больше ~5 млн. герц. Транзисторами с выращеннымипереходами можно пользоваться для передачи низкочастотных сигналов, но онинепригодны для цифровых схем и для коммутации. Однако приборы такого типаподтвердили правильность теории и указали путь к более сложным и совершеннымтранзисторам.

/>Сплавныеплоскостные транзисторы.Сплавной плоскостной транзистор представляет собойтонкую пластинку германия, в которую с разных сторон вплавлены два шарика изиндия, образующих эмиттер и коллектор (рис. 5).

/>

Рис. 5. Сплавнойплоскостной транзистор типа pnp, показанный схематически в разрезе.

Представляет собойэлектронный ключ, который открывается и закрывается при изменении направлениясмещения. Разные варианты такого устройства применяются в компьютерах,телефонном оборудовании и радиоприемниках.

/>Зонноевыравнивание.Исходныйматериал нужного качества получают методом зонного выравнивания, который можносчитать разновидностью метода зонной очистки. В один конец графитовой лодочкипомещают соответствующим образом ориентированный затравочный кристалл германия,прижатый к слитку поликристаллического Ge. В торце слитка со стороны затравкиимеется прорезь с вложенными в нее небольшими пластинками германия (n-типа),легированного сурьмой. При помощи индукционной катушки осуществляют однократноепрохождение по слитку расплавленной зоны материала, легированного сурьмой. Нафронте охлаждения зоны остается ровно столько сурьмы, сколько нужно дляполучения требуемого удельного сопротивления базы n-типа. Такой метод даетслитки удовлетворительного качества длиной ок. 50 см и диаметром 3 см.

Транзисторыизготавливаются из слитков методами массового производства. Тонкие круглыегерманиевые пластинки шириной около 2,5 мм, тщательно протравленные дляудаления повреждений, вызванных разрезанием, загружаются виброустройством вмногогнездный держатель. Индиевые шарики засыпаются в распределитель, которыйкладет по одному шарику на каждую пластинку. Все устройство перемещается черезводородную печь; при этом в пластинку вплавляется эмиттер. Затем пластинкипереворачивают, и процесс повторяется с несколько более крупными шариками дляколлектора. Водород нужен для очистки поверхности германия от окисла, чтобыиндий хорошо ее смачивал. Длительность обработки в печи и температуру подбираюттак, чтобы толщина базы составляла примерно 0,025 мм.

Кристаллическую осьгермания выбирают таким образом, чтобы граница раздела между индием и германиембыла плоской и параллельной одной из кристаллических плоскостей германия. Приэтом два перехода, приближающихся друг к другу с противоположных сторонпластинки, оказываются параллельными и могут быть подведены очень близко друг кдругу. При охлаждении германий снова кристаллизуется на исходной пластинке. Рекристаллизованнаяобласть теперь становится областью p-типа, так как она сильно легированаиндием. К оставшемуся за ее пределами индию можно припаять выводы. Транзисторы npn-типаизготавливаются по аналогичной технологии, но в этом случае в исходный германийp-типа вплавляется ввод, легированный сурьмой.

Далее поверхностьгермания стабилизируют легким протравливанием в щелочном растворе. Затемтранзистор высушивают в нагретом воздухе с контролируемой влажностью игерметизируют. Внутри герметического стеклометаллического корпуса имеется «геттерный»влагопоглотитель – обычно крупинка пористого стекла. Контроль за влажностьюочень важен, так как коэффициент усиления и токи утечки готового транзисторасильно зависят от количества влаги на поверхности германия вблизи перехода.

Сплавной германиевыйтранзистор может служить хорошим электронным ключом (для диапазона низких исредних частот), так как сильно легированные области коллектора и эмиттераимеют очень низкое сопротивление (доли ома) и не ограничивают переключаемыйток. Однако его граничная частота тоже не превышает нескольких десятковмегагерц. К сожалению, такой транзистор непригоден для работы при высокихтемпературах (выше 70–80°C) из-за увеличения тока утечки (который удваиваетсяпри повышении температуры на каждые 12 К). Хотя на смену германиевомутранзистору со сплавными переходами давно уже пришли кремниевые транзисторы,значительные количества их еще производятся для специальных применений, так какони сравнительно недороги и не требуют больших напряжений для смещения эмиттерав прямом направлении.

/>Диффузионныегерманиевые транзисторы. Уже на ранней стадии разработки транзисторов сталоясно, что для улучшения высокочастотных характеристик нужен другой методконтроля толщины перехода. Таким методом явился метод диффузии. Суть его в том,что полированная очищенная тонкая пластинка германия в течение двух часоввыдерживается при 650°C под воздействием источника сурьмы. (Для защитыповерхности от загрязнений процесс проводится в атмосфере водорода.) Врезультате образуется базовый слой толщиной порядка 1 мкм. Алюминиевый эмиттервплавляется на глубину ок. 0,5 мкм. На поверхность пластинки напылением ввакууме наносится базовый контакт в виде полоски, отстоящей на 12 мкм отэмиттерной. Затем германий вокруг двух полосок вытравливается так, что напластинке остается ряд меза-структур, каждая из которых содержит активныеэлементы транзистора (рис. 6).

/>

/>Рис.6. Диффузионный микротранзистор, сформированный на поверхности довольнобольшого микрокристалла.

Тысячи такихмикрокристаллов могут одновременно обрабатываться методом диффузии. 1 – базоваяобласть p-типа; 2 – коллекторный переход; 3 – слой диоксида кремния; 4 –коллекторный контакт; 5 – микрокристалл кремния; 6 – вывод базы; 7 – эмиттерныйвывод; 8 – электрическое соединение золото – кремний; 9 – металлическийкристаллодержатель; 10 – напыленный электрод; 11 – эмиттерная область n-типа; 12– эмиттерный переход.

При толщине базы 0,5 мкмноминальная граничная частота достигает 900 МГц, что значительно больше, чем уприборов прежнего типа. Этот успех позволил проектировать схемы, рассчитанныена высокочастотные транзисторы. Высокочастотные германиевые транзисторы нашлиприменение в электронных схемах спутников связи и в подводных кабелях. Однакодля германия так и не были реализованы потенциальные возможности,предоставляемые, в принципе, диффузионным процессом, и он был вытесненкремнием, у которого на много порядков величины меньше токи утечки. Поэтомукремниевые транзисторы могут работать при температурах до 150°С, а не до 70°С,как германиевые.

/>Биполярныепланарные транзисторы.Современные кремниевые планарные биполярные транзисторыпочти полностью вытеснили германиевые из схем на дискретных компонентах вэлектронной промышленности и широко применяются в интегральных схемах, гдегерманий вообще не используется. (Термин «планарные» означает, чтовсе переходы выходят на поверхность, где они могут быть защищены слоем диоксидакремния. Термин «биполярные» означает, что используются носителиобоих типов – и электроны, и дырки, в отличие от полевых транзисторов, окоторых будет сказано ниже.)

Появление современноготранзистора стало возможным благодаря успешному развитию фотолитографии,диффузии и выращивания кристаллов. Вообще говоря, существуют два видатранзисторных структур – из объемного материала и эпитаксиальная. Перваясоздается просто на поверхности пластинки из «массивного» кремния.Такой транзистор имеет тот недостаток, что у него большое последовательноесопротивление коллектора, нежелательное в случае переключающего устройства.Этот недостаток отсутствует при использовании эпитаксиального материала –тонкого слоя кремния с высоким удельным сопротивлением (в котором может бытьсоздана транзисторная структура), выращенного поверх толстого слоя сильнолегированного материала.

/>

5.2 Эпитаксиальныетранзисторы

Эпитаксиальная технологияпозволяет расширить рабочий диапазон транзисторов, особенно ключевых, за счетуменьшения последовательного сопротивления коллектора. Она основана навыращивании очень тонкого слоя полупроводника (достаточного для формированияактивных элементов) поверх исходного слоя того же самого материала (рис. 6).Этот эпитаксиальный слой представляет собой продолжение исходнойкристаллической структуры, но с уровнем легирования, необходимым для работытранзистора. Подложку сильно легируют (до содержания легирующей примеси порядка0,1%), тщательно полируют и затем промывают, поскольку дефекты на поверхностиподложки сказываются на совершенстве структуры эпитаксиального слоя.

Выращивание совершенногоэпитаксиального слоя – очень сложный процесс, требующий тщательного выбора материалови поддержания исключительной общей чистоты в системе. Слой выращивается методомхимического осаждения из паровой фазы, обычно из паров тетрахлорида кремнияSiCl4. При этом используется водород, который восстанавливает SiCl4дочистого кремния, осаждающегося затем на подложке при температуре ок. 1200°С.Скорость роста эпитаксиального слоя – порядка 1 мкм/мин, но ее можнорегулировать. Для легирования слоя в рабочую камеру вводят мышьяк (примесь n-типа),фосфор (n-тип) или бор (p-тип). Обычно выращивают только один слой, но внекоторых случаях, например при изготовлении многослойных тиристоров, получаютдва слоя – один n-, а другой p-типа. Толщина эпитаксиального слоя составляет отнескольких микрометров для сверхвысокочастотных транзисторов до ~100 мкм длявысоковольтных тиристоров. Эпитаксиальный материал дает возможностьизготавливать транзисторы для усилителей и электронных ключей.

В противоположностьтехнологии мезаструктур, при которой диффузия происходит равномерно по всейповерхности полупроводника, планарная технология требует, чтобы диффузия былалокализована. Для остальной части поверхности необходима маска. Идеальнымматериалом для маски является диоксид кремния, который можно наращивать поверхкремния. Так, сначала в атмосфере влажного кислорода при 1100°С выращивают слойдиоксида толщиной ок. 1000 нм (это занимает примерно час с четвертью). Навыращенный слой наносят фоторезист, который может быть сенситизирован дляпроявления ультрафиолетовым светом. На фоторезист накладывают маску с контурамибазовых областей, в которых должна проводиться диффузия (их тысячи на однойподложке), и экспонируют фоторезист под освещением. На участках, не закрытыхнепрозрачной маской, фоторезист затвердевает под действием света. Теперь, когдафоторезист проявлен, его легко удалить растворителем с тех мест, где он незатвердел, и на этих местах откроется незащищенный диоксид кремния. Дляподготовки подложки к диффузии незащищенный диоксид вытравливают и пластинкупромывают. (Здесь речь идет об «отрицательном» фоторезисте.Существует также «положительный» фоторезист, который, наоборот, послеосвещения легко растворяется.) Диффузию проводят как двухстадийный процесс:сначала некоторое количество легирующей примеси (бора в случае npn-транзисторов)вводят в базовый поверхностный слой, а затем – на нужную глубину. Первую стадиюможно осуществлять разными способами. В наиболее распространенном вариантепропускают кислород через жидкий трихлорид бора; диффузант переносится газом кповерхности и осаждается под тонким слоем борсодержащего стекла и в самом этомслое. После такой начальной диффузии стекло удаляют и вводят бор на нужнуюглубину, в результате чего получается коллекторный p-n-переход в эпитаксиальномслоеn-типа. Далее выполняют эмиттерную диффузию. Поверх базового слоянаращивают диоксид, и в нем прорезают окно, через которое за одну стадиюдиффузией вводят примесь (обычно фосфор), формируя тем самым эмиттер. Степеньлегирования эмиттера по крайней мере в 100 раз больше, чем степень легированиябазы, что необходимо для обеспечения высокой эффективности эмиттера.

В обоих диффузионныхпроцессах, упомянутых выше, переходы перемещаются как по вертикали, так и вбоковом направлении под диоксидом кремния, так что они защищены от воздействияокружающей среды. Многие устройства герметизируют поверхностным слоем нитридакремния толщиной ок. 200 нм. Нитрид кремния непроницаем для щелочных металлов,таких, как натрий и калий, которые способны проникать сквозь диоксид кремния и «отравлять»поверхности в переходах и поблизости от них. Далее с использованием методовфотолитографии на поверхность устройства напыляют металл контакта (алюминий илизолото), отделенный от кремния другим металлом (например, вольфрамом, платинойили хромом), впекают его в области базового и эмиттерного контактов, а излишекудаляют. Затем полупроводниковую пластинку путем распиливания или разламыванияпосле надрезания разделяют на отдельные микрокристаллы, которые прикрепляются кпозолоченному кристаллодержателю или выводной рамке (чаще всего эвтектическим припоемкремний – золото). С выводами корпуса эмиттер и базу соединяют золотымипроволочками. Транзистор герметизируют в металлическом корпусе или путемзаделки в пластик (последнее дешевле).

Первоначально контактыделали из алюминия, но оказалось, что алюминий образует с золотом хрупкоесоединение, обладающее высоким сопротивлением. Поэтому проволочные контакты изалюминиевой или золотой проволочки стали отделять от кремния другим металлом –вольфрамом, платиной или хромом.

Граничная частотатранзисторов общего назначения составляет несколько сот мегагерц – примерностолько же, сколько было у ранних высокочастотных германиевых транзисторов. Внастоящее время для высокочастотных типов эта граница превышает 10 000 МГц.Мощные транзисторы могут работать при мощности 200 Вт и более (в зависимости оттипа корпуса), и нередки коллекторные напряжения в несколько сот вольт.Используются кремниевые пластинки размером несколько сантиметров, причем наодной такой пластинке формируется не менее 500 тыс. транзисторов.

Транзисторные структурымогут быть разного вида. Транзисторы для низкочастотных схем с низким уровнемсигнала нередко имеют точечно-кольцевую конфигурацию (точка – эмиттер, кольцо –база), которая, однако, не нашла широкого применения в тех случаях, когда предъявляютсятребования высокой частоты и большой мощности. В таких случаях и в транзисторахмногих низкочастотных типов чаще всего применяется встречно-гребенчатаяструктура. Это как бы два гребешка с широкими промежутками между зубцами,расположенные на поверхности так, что зубцы одного входят между зубцамидругого. Один из них является эмиттером, а другой – базой. База всегдаполностью охватывает эмиттер. Основная часть гребешка служит токовой шиной,равномерно распределяющей ток, так что все эмиттерные зубцы имеют одинаковоесмещение и дают одинаковый ток. Это очень важно для сильноточных приборов, вкоторых локальная неоднородность смещения может вследствие местного нарастаниятока привести к точечному перегреву. В нормальном рабочем режиме температура переходав транзисторах должна быть ниже 125°С (при ~150°С параметры прибора начинаютбыстро изменяться, и работа схемы нарушается), а потому в мощных транзисторахнеобходимо добиваться равномерного распределения тока по всей их площади.Сильноточные устройства часто разделяют на секции (группы зубцов, или малыхтранзисторов), соединенные между собой токовыми шинами с малым сопротивлением.

В транзисторах длядиапазона сверхвысоких частот – другие трудности. Их максимальная рабочаячастота ограничивается временем задержки, которое требуется для зарядкиэмиттерного и коллекторного переходов (поскольку заряд переходов зависит отнапряжения, они ведут себя как конденсаторы). Это время можно свести кминимуму, уменьшив до предела площадь эмиттера. Поскольку эффективно действуетлишь периферийная часть эмиттера, зубцы делают очень узкими; зато число ихувеличивают так, чтобы получить нужный ток. Ширина зубца типичноговысокочастотного эмиттера составляет 1–2 мкм, и таковы же промежутки междузубцами. База обычно имеет толщину 0,1–0,2 мкм. На частотах выше 2000 МГц времяпереноса заряда через базу уже не является определяющей характеристикой –существенно также время переноса через область коллектора; однако этот параметрможно уменьшить только путем уменьшения внешнего напряжения на коллекторе.

5.3 Ионная имплантация

Контроль за толщинойбазы, необходимый для изготовления СВЧ-транзисторов, удалось осуществитьметодом ионной имплантации. Ионы нужной легирующей примеси ускоряют в линейномускорителе и имплантируют в полупроводник (кремний) на глубину порядканескольких десятых микрометра (эта глубина зависит от вида иона и от напряженияускорителя). Измеряя ток ионного пучка, можно очень точно регулировать глубинувнедрения и количество внедряемой примеси. Затем кремний отжигают дляустранения радиационных повреждений. Обычно процедуру ионной имплантациидополняют диффузией для достижения нужной глубины перехода. Ионная имплантацияочень удобна также для точного формирования диффузионных резисторов винтегральных схемах.

/>Двоичноепереключение. Почти любая неречевая информация и сама речь могут бытьпреобразованы устройствами для двоичного переключения. Рассчитавсоответствующим образом схему, можно сделать так, чтобы за время некоегоимпульса тока коллектор достигал насыщения. При этом напряжение на коллекторномпереходе, номинально равное 5 В, падает до нескольких десятых вольта. Когда жетранзистор переходит в закрытое состояние, это напряжение возвращается кпрежнему значению. Таким образом, у транзистора имеются два состояния – «открыто»и «закрыто», что соответствует 0 и 1 на языке логическогопереключения. На такой двоичный цифровой язык может быть переведена любаяинформация, в частности, снимки из космоса, телефонный разговор, условия коммерческойсделки.

За время импульса тока вобластях коллектора и базы накапливается заряд. Чтобы транзистор вернулся всвое закрытое состояние большого напряжения, накопленный заряд долженрассеяться. Для ускорения такого процесса вводят центры рекомбинации – обычноатомы золота в небольшом количестве, – которые облегчают рекомбинациюизбыточных электронов и дырок. В правильно спроектированном транзисторе могутбыть достигнуты времена переключения в закрытое состояние порядка несколькихнаносекунд. Такое быстродействие открывает широкие возможности применениятранзисторов для цифрового переключения.

/>Тиристоры.Для схем с очень высокими напряжениями и очень большими токами созданыполупроводниковые приборы, называемые тиристорами. Один тиристор может работатьпри напряжениях до 4000 В и токах до 4000 А. В преобразователях тиристорысоединяют в каскады, рассчитанные на четверть миллиона вольт и более.

Тиристор состоит из двухтранзисторов (npnиpnp), расположенных так, что коллекторpnp-части тиристораявляется базойnpn-части, а коллекторnpn-части – базойpnp-части. Еслиинжектировать небольшой ток в базуnpn-части, то он создаст для эмиттера прямоесмещение, и возникнет ток эмиттера. Этот ток, собранный коллекторомnpn-части,становится током базыpnp-части, который вызывает появление тока эмиттера этойчасти. Такой процесс будет повторяться до тех пор, пока вокруг общегоколлекторного перехода не соберется заряд, достаточный для нейтрализациисвязанного заряда, и тогда напряжение на нем понизится до уровня ~0,7 В,соответствующего насыщению. Так происходит «включение» тиристора. «Выключается»же он при понижении тока ниже некоторого порогового уровня, называемогоудерживающим током. Если сделать площадь эмиттера достаточно большой, то легкоможно переключать колоссальные токи.

Тиристоры пропускают токтолько в одном периоде переменного тока; лишь с изобретением симистора появилсянастоящий полупроводниковый переключатель переменного тока для регуляторовэлектродвигателей, регуляторов освещенности и других устройств. Симисторсостоит из двух выполненных на одной кремниевой пластинке тиристоров,включенных параллельно, но противоположно. Один из тиристоров пропускает ток водном полупериоде, а другой – в следующем. Для включения симистора предусматриваетсяуправляющий электрод. Чтобы выключить его, нужно прервать ток. Интереснойособенностью симисторов является то, что они проводят ток любого направления имогут переключаться либо положительным, либо отрицательным управляющимсигналом.

/>Фототранзистор.Когдана транзистор падает свет достаточно большой энергии, т.е. с достаточно малойдлиной волны, в нем освобождаются электронно-дырочные пары. В нормальныхусловиях они рекомбинируют и исчезают. Но, если пары возникают вблизи p-n-переходас напряжением обратного смещения, они могут диффундировать в область перехода.Один из носителей может быть ускорен напряжением, имеющимся на переходе, итогда он приобретает способность освобождать дополнительные заряды в процессахстолкновения. В материалеn-типа ускоряется дырка, в материалеp-типа – электрон.Поскольку заряды несут ток через переход, он возникает и во внешней цепи, т.е.свет преобразуется в электрический ток.

/>

5.4 ПолевойМОП-транзистор

Полевые транзисторы.Еще в1930 Лилиенфельд делал попытки управлять проводимостью поверхностного слоя вполупроводниковом материале. В 1948 Шокли и Пирсон сообщили в печати обуправлении токами за счет поверхностного полевого эффекта. Но лишь в начале1960-х годов появился практически пригодный МОП-транзистор (металл – оксид –полупроводник). В отличие от биполярного кремниевого транзистора,МОП-транзистор является униполярным, т.е. его действие основано на управленииосновными носителями.

Для изготовленияМОП-транзисторов используется высокоомный кремний p- или n-типа. В кремнииp-типаметодом диффузии создаются две сильно легированные близлежащие областиn-типа.Одна из них, называемая истоком, является входной. Другая – сток – служитвыходом. Над узкой промежуточной областью наращивается тонкий изолирующий слой(толщиной 200 нм и менее) диоксида кремния. На него наносят слой металла иликремния, который служит управляющим электродом (рис. 7). Такое устройство иназывается полевым транзистором со структурой металл – оксид –полупроводник(МОП-транзистором). При подаче на управляющий электрод положительногонапряжения возникает сильное электрическое поле, которое притягивает электронык поверхности кремния, и образуется проводящий каналn-типа, соединяющий истоксо стоком. Режим с положительным напряжением называется режимом обогащения.Можно изготавливать приборы, открытые в отсутствие внешнего напряжения.Отрицательное напряжение в них сужает канал и повышает его сопротивление; такойрежим называется режимом обеднения. Изготавливаются также транзисторы с каналомp-типа.

/>

Рис. 7. Полевойтранзистор. Управление током осуществляется посредством затворов. Такиетранзисторы, изготовленные МОП-методом (слева) или методом диффузии (справа),являются униполярными, т.е. в них активную роль играют носители только одноготипа.

Полевые МОП-транзисторы сэлектронами в качестве носителей называются n-МОП-транзисторами (а те, вкоторых носителями служат дырки, называются p-МОП-транзисторами). Вn-МОП-транзисторе имеются две области n-типа, сформированные в подложке изкремния p-типа. Затвор – это электрод, изолированный от полупроводника тонкимслоем диоксида кремния. В транзисторе, работающем в режиме обогащения,положительный потенциал, под которым находится сток, оказывает притягивающеедействие на электроны источника. Но они не могут проходить через кремний p-типас высокой концентрацией дырок. Когда же на затворе создается положительныйзаряд, возникающее при этом электрическое поле притягивает электроны кповерхности и здесь в тонком слое образуется проводящий канал, по которому токпроходит от истока. В n-МОП-транзисторе, работающем в режиме обеднения, междуистоком и стоком имеется непрерывный проводящий канал из кремния n-типа, такчто в нормальном состоянии транзистор пропускает ток. При подаче же на затворотрицательного напряжения ток прекращается, так как электроны выталкиваются изканала. В полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом электроны текут отистока к стоку. Ток электронов модулируется изменением напряжений на затворе истоке. Поскольку МОП-транзисторы не требуют изолирующих островков, онидопускают более высокую плотность «упаковки» на микросхеме, чембиполярные транзисторы. а – полевой n-МОП-транзистор; б – ПТ с управляющимp-n-переходом.

В процессе работыМОП-транзистора сn-каналом электроны, являющиеся основными носителями, выходяиз истока, входят в канал и втягиваются в сток, который при этом приобретаетположительное смещение относительно истока. Ток электронов модулируетсянапряжением на затворе. Как только потенциал стока, нарастая, сравняется сразностью потенциалов затвора и истока, ширина канала уменьшается до нуля ипроисходит так называемая отсечка. При дальнейшем повышении выходногонапряжения на стоке ток остается почти постоянным.

Поскольку ток от затворачерез диэлектрик практически отсутствует, входной импеданс полевогоМОП-транзистора необычайно велик. Поэтому на затворе может длительное времясохраняться заряд, что позволяет создавать простые и изящные полупроводниковыезапоминающие устройства. Благодаря этой интересной особенности полевыхМОП-транзисторов и их малым размерам они приобрели важное значение вэлектронной промышленности.

5.5 ПТ с управляющимp-n-переходом

В таком полевомтранзисторе контакты подводятся к полоскам в «кармане» высокоомногополупроводника n-типа. Наружная полоска является истоком; средняя полоска –сток – положительна относительно источника, так что от истока к стоку текутосновные носители (электроны). Области затвора (p-типа) расположены в верхнем инижнем слоях и соединены между собой диффузионно (рис. 7).

В рабочем режиме на p-n-переходподается напряжение обратного смещения, так что в областьn-типараспространяется зона обеднения. Изменяя обратное смещение на затворе, можноуправлять шириной канала между затворами и модулировать ток. При достаточнобольшом напряжении происходит отсечка. Изменяя сочетания напряжений на затвореи стоке, можно сделать так, чтобы насыщение тока достигалось на любомпостоянном уровне тока вплоть до нуля.

ПТ с управляющим p-n-переходомотличается очень высоким входным импедансом и очень низким уровнем шума.Поэтому он хорошо подходит для входного каскада тюнеров-усилителей.

/>Недостаткии надежность. В таких применениях, как телефонное, спутниковое, автомобильное ипромышленное оборудование, от транзисторов требуется очень высокий уровеньнадежности. Скромная АТС, например, насчитывает около миллиона компонентов (втом числе транзисторов, резисторов и конденсаторов). За год они наберут около1010ч наработки на компонент. Один отказ за миллиард часов наработки– желательная и достижимая в настоящее время интенсивность отказов –соответствует примерно одному отказу в месяц.

Существуют два типаотказов: внезапные (обусловленные дефектами изготовления, такими, как непрочноескрепление и треснувшие микрокристаллы) и постепенные (которые могут бытьвызваны диффузией контактных материалов и поверхностными процессами, причем тои другое подвержено температурному ускорению).

Для типичных транзисторовдоля внезапных отказов может достигать 0,1%. Но такие отказы случаются обычнона начальной стадии работы транзистора. Когда речь идет о транзисторах дляособо важных систем, например спутниковых, внезапные отказы можно отсеять путемиспытаний на ускоренное температурное старение или старение под нагрузкой, атакже путем термоциклирования. Однако такие методы оправдывают себя лишь вслучае особо ответственного оборудования.

Постепенные отказы (когдаповреждение накапливается) носят более фундаментальный характер. Эффекты,лежащие в их основе, можно собирательно назвать эффектами поверхностногозаряда, хотя некоторые из них суть проявление связанного заряда на внутреннейгранице кремний –диоксид или поверхностных состояний, способных захватыватьзаряд; это могут быть эффекты, связанные с наличием подвижных ионов, напримернатрия, в диоксиде либо подвижных ионов или загрязнений на внешней стороне слоядиоксида или нитрида кремния. Тем не менее трудности, связанные с различнымиповерхностными зарядами, в основном устранены. Контроль за упомянутыми поверхностнымиэффектами доведен до такого уровня, что в качественно выполненных приборах онине представляют проблемы, и транзисторы pnp-типа столь же надежны, как итранзисторыnpn-типа.

Срок службы транзисторавсегда укорачивает влага, остающаяся в газовой среде приборов,герметизированных в металлический корпус, и осаждающаяся на поверхностиприборов, герметизированных пластмассой. Влага может придать подвижностьповерхностным загрязнениям и тем самым привести к возникновению проводящихканалов. Это можно обнаружить, подав смещение на незагерметизированныйтранзистор и подышав на него. Если на поверхности транзистора имеетсядостаточно большой заряд, то ток утечки увеличивается и усиливаются пробойныеявления, что указывает на образование проводящего канала. Но стоит снятьнапряжение и высушить поверхность, как транзистор восстанавливает своихарактеристики. Влага также вызывает электролитическую коррозию металлаэлектрода. Золото корродирует в присутствии даже малых количеств хлора (обычнов виде ионного остатка химического моющего средства, флюса или травильногораствора).

Сверхвысокочастотныетранзисторы и МОП-устройства легко повреждаются разрядом статическогоэлектричества. Для защиты от такого повреждения их выводы соединяют накороткона время складского хранения и транспортировки.

/>Прогнозна будущее. Будут и далее совершенствоваться и все шире применяться такиеметоды, как ионная имплантация. Расширится применение интерметаллическихсоединений. Транзисторы в интегральных схемах уменьшатся в размерах, станутболее быстродействующими, будут потреблять меньше мощности. Развитиетранзисторной техники пойдет по двум направлениям: будут наращиваться рабочаямощность и рабочее напряжение дискретных транзисторов. В области низких уровнеймощности все большую роль будут играть интегральные схемы. Цены на них будут идалее снижаться. Будет все больше расширяться круг применения интегральных схемв логических устройствах, системах контроля и управления, системах обработкиинформации для всех аспектов жизни человека и общества. В 1960 были впервыесозданы интегральные схемы всего лишь с несколькими биполярными транзисторамина микрокристалл. В 1976 степень интеграции превысила четверть миллиона. К 1980этот показатель достиг почти миллиона, а в 2000 приблизился к 10 млн.

Список литературы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Полупроводник

2. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/TRANZISTOR.html

3. Галкин В.И.,Прохоренко В.А.Полупроводниковые приборы. Минск 1979

4. Зи С.М.Физикаполупроводниковых приборов. М., 1984.