Лекции - преподаватель Григорьев Владимир Калистратович

ЛЕКЦИЯ 1

Исторический обзор

Что такое электроника? – Это передача, приём, обработка и хранение информации с помощью электрических зарядов. Это наука, технические приёмы, промышленность.

Что касается информации, то всегда, когда было человечество, это всё было. Человеческое мышление, разговорная речь, узелки на память, сигнальные костры, семафорный телеграф и т.д. – это приём, передача, обработка и хранение информации. И это было не меньше чем 5000 лет. Но только недавно, в конце 18 века, были изобретены телефон и телеграф – устройства для передачи и приёма информации с помощью электрических сигналов. Это – начало электроники, как она сейчас называется.

Дальше электроника довольно быстро развивается. В 1895 г. Попов изобрёл и построил действующую модель радио – электронное устройство для беспроводной передачи информации - грозоотметчик. Герц провёл опыты по распространению радиоволн, Маркони развил и применил эти опыты для построения радио с выбором передающей радиостанции по длине волны излучения.

Но в начале не было хорошего усилительного элемента для электрических устройств. Поэтому настоящее развитие электроники началось с 1904 г., когда была изобретена радиолампа – диод, а в 1907 г. – триод. Они выглядят так, как показано на рис. Слева изображена радиолампа – диод, которая состоит из герметичного баллона, а внутри баллона – вакуум и несколько металлических конструкций с выведенными наружу электродами. Одна из них – нить накала, по ней пропускается электрический ток, который нагревает её до температуры в 700-2300 ^оС. Эта нить разогревает катод, к которому подводится отрицательное напряжение, и катод испускает электроны. К аноду подводится положительное напряжение, разность потенциалов довольно высокая (100-300 В), и поэтому электроны, вылетевшие из катода, полетят к аноду, и следовательно, в лампе потечёт ток. При смене знака напряжения электроны из холодного анода вылетать не будут, не будет и тока. Поэтому диод может исполнять роль выпрямителя переменного напряжения.

На правом рис. изображена радиолампа – триод. В ней всё тоже, что и у диода, но есть дополнительный электрод – управляющая сетка. Обычно на сетку подаётся отрицательный потенциал, и она отталкивает вылетевшие из катода электроны. Поэтому чем более отрицательный потенциал сетки, тем меньше электронов протечёт от катода к аноду. Таким образом, потенциал сетки служит для управления током в радиолампе. Обычно сетка в лампе расположена к катоду гораздо ближе, чем анод, поэтому малыми потенциалами сетки можно управлять большими токами лампы. Если напряжение к аноду подаётся через большое сопротивление, то и потенциалы на аноде будут меняться сильнее, чем на сетке. Это хороший электронный усилитель напряжений.

Радиолампы прошли очень большой путь развития. Появились более совершенные тетроды и пентоды – лампы с четырьмя и пятью электродами, обладающие большими коэффициентами усиления. Стали делать более сложные радиолампы: с более чем пятью электродами. Из них наибольшее распространение получили сдвоенные радиолампы: сдвоенные диоды, триоды, диод-триоды и т.д. Появились газонаполненные лампы – газотроны. В них есть газ, правда, находящийся под небольшим давлением. Обычно он ионизируется, появляются ионы – атомы без электрона, т.е. имеющие положительный заряд.

Протекание тока в таких лампах более сложное: он может быть как электронным, так и ионным. Размеры радиоламп были очень разными: от миниатюрных пальчиковых до громадных в рост человека.

Изобретение триода открыло большие возможности развития электроники. Мировое количество выпускаемых радиоламп выросло ко второй мировой войне до многих миллионов штук в год. Были изобретены и созданы многие устройства по приёму и передаче информации. Телефон и телеграф, радиоприёмники и радиопередатчики. Вместо патефонов появились проигрыватели пластинок, появились магнитофоны. Начали разрабатываться телевизоры.

Но это всё только часть задач электроники – приём, передача и хранение информации. А где же обработка информации, наиболее важная, сложная и интересная её часть? Очевидно, что её может делать только вычислительное устройство.

К началу Второй мировой войны уже появились электронные арифмометры – обработчики цифровой информации. Но настоящее развитие этой области электроники началось с возникновения электронных вычислительных машин (ЭВМ). Оно началось в 1948 году – в США была сделана первая ЭВМ на радиолампах – ЭНИАК. Вот некоторые её параметры:

Количество радиоламп	18 000 шт
Кол-во др. элементов	100 000 шт
Вес	30 т
Площадь	100 м2
Рассеиваемая мощность	100 КВт
Быстродействие	10 000 Гц

Как видно из этой таблицы – это грандиозное сооружение. И оно обладало всеми характерными чертами современной ЭВМ: память, которая содержала данные и программу их обработки, арифметическое-логическое устройство, связь с внешними устройствами. Но, конечно, у неё ещё было и много недостатков. По сравнению с современным уровнем техники, эта ЭВМ менее сложная, чем простой калькулятор, особенно если он может программироваться. Но по весу (30 т по сравнению с 50 г), по занимаемой площади, по рассеиваемой мощности современные калькуляторы её существенно превосходят. Особенно важно, что их быстродействие никак не меньше 1 МГц, т.е. в сто раз больше, чем у первой ЭВМ.

Но гораздо более существенным является срок службы первой ЭВМ. В основном он определялся сроком службы радиолампы. А он определяется интенсивностью отказов

 = 10^-5 ч^-1

Т.е. из 100 000 радиоламп одна откажет за время 1 час. Или другими словами, срок службы одной радиолампы равен

Т = 1/ = 10⁵ ч

Это много. Действительно, если считать, что в сутках примерно по 25 ч, то это 4 000 дней, или примерно 12 лет работы до отказа. Это неплохо.

Но когда вместо 5-20 радиоламп одновременно должны работать 18 000 радиоламп, ситуация резко меняется. Все радиолампы служат 12 лет, но выходят из строя случайно, в любой момент времени. И выход хоть одной радиолампы из строя приводит к выходу всего устройства. В этом случае для всего устройства можно записать:

_общ = N *  = 18 000 * 10^-5 = 0,18 ч^-1

А срок службы всего устройства равен

Т _общ = 5 ч

Т.е. срок службы ЭНИАКа всего 5 ч! В среднем через каждые 5 ч какая-то радиолампа выходила из строя. Найти из 18 000 радиоламп неработающую не так-то просто. А после того, как она найдена, надо её заменить, и провести проверку ЭВМ на работоспособность. На всё это уходило ещё около 5 ч.

Но нам надо делать более сложные ЭВМ. Если мы усложним её так, что в ней будет в 10 раз больше радиоламп, срок службы уменьшится в 10 раз, т.е. будет равен 0,5 ч. А на ремонт будет уходить ещё больше времени. Это – катастрофа количеств.

Всё дальнейшее развитие электроники связано с борьбой с катастрофой количеств. Для этого надо было понизить интенсивность отказов радиолампы. Но радиолампа – сложное устройство. Во-первых, внутри неё глубокий вакуум, если он потеряется, анодный ток радиолампы понизится из-за соударений электронов с атомами воздуха и с ионами, получившимися в результате этих столкновений. Сетка лампы – это проволочная спираль, которая намотана вокруг катода. Она слабая, не выдерживает перегрузок, вибраций. Нить накала нагрета до высокой температуры, поэтому испускает не только электроны, но и довольно много атомов, т.е. нить всё время испаряется. Устранить все эти недостатки и повысить срок службы не удалось.

И вот в 1948 г. изобрели транзистор. Он выглядел так, как показано на рис.

Он намного лучше радиолампы: меньше, легче, нет нити накала. Размеры его не больше одного миллиметра. Это цельный кусок полупроводника, весьма прочного кристалла, по прочности не уступающего стали или чугуну. Поэтому у транзистора интенсивность отказов меньше, примерно  = 10^-7 ч ^–1 .

Транзисторы очень быстро завоевали рынок сбыта. Уже в 1949 г. в США сделали первую транзисторную ЭВМ, аналогичную ЭНИАКу – т.е. через год после изобретения транзистора. Для иллюстрации этого приведём цитату из журнала

"Наука и жизнь", 1986, № 2, с. 90:

"... если вести отсчёт от первых машин, то сегодня объёмы внутренней памяти ЭВМ увеличились в сотни раз, а быстродействие – в сотни тысяч раз, в тысячи раз уменьшилось потребление энергии, и снизилась стоимость. Специалисты прикинули, что если бы такими темпами прогрессировало автомобилестроение, то машина класса "Волги" двигалась бы чуть ли не со скоростью света, потребляла бы несколько граммов бензина на сотню километров и стоила бы несколько рублей".

А ведь это было 15 лет назад!

Посмотрим подробнее, как же был изобретён транзистор? Оказывается, его изобрели, исследуя влияние двух р-п переходов (полупроводниковых диодов) друг на друга, расположенных на очень малом расстоянии. (Это показано на рис.)

Две металлические очень острые иглы помещались на поверхности германия (полупроводник) на малом расстоянии

друг от друга, и затем прижигались (пропускался сильный ток на

короткое время). При этом происходил разогрев полупроводника, металл частично растворялся в полупроводнике, и также диффундировал внутрь его. Металл подбирался таким образом, что его атомы создавали электронный полупроводник (п-тип). Таким образом получались два р-п перехода. А так как они были очень близки, то вступали во взаимодействие, и получался транзистор.

Первые транзисторы так и изготовлялись, и эта технология называлась точечной. Очевидны недостатки её. Дело в том, что по теории транзисторов расстояние между р-п переходами должно быть намного меньше диффузионной длины (что это такое, мы скажем в следующих лекциях), а она очень маленькая, лежит в пределах от единиц до десятков микрометров (обычно говорят микронов). Расположить две иголочки так близко невозможно – микрон значительно меньше толщины человеческого волоса (примерно 50 мкм).

Можно предположить, что расстояние между иголками сравнимо с толщиной человеческого волоса и примерно равно 0,1 мм, или 100 мкм. Далее нужно пропустить искру электрического разряда через иголочки, так, чтобы произошли плавление, растворение и диффузия металла. Процесс трудно воспроизводимый. Поэтому многие транзисторы, изготовленные по этой технологии, оказывались бракованными: то р-п переходы сливались, то расстояние между ними было слишком большим. А сам коэффициент усиления транзистора был вообще случайной величиной.

Требовалось совершенствование технологии изготовления транзисторов. Первый шаг в этом направлении был п
олучен, когда точечную технологию заменили на сплавную (см. рис.). Здесь изображена основная конструкция, применяемая в этом методе: две графитовые пластины с небольшими ямками для алюминия окружают с двух сторон пластину германия с электронной электропроводностью (п-типа). Эта конструкция помещается в печь с высокой температурой (600-800^оС). Аллюминий расплавляется и диффундирует в германий. Когда диффузия прошла на достаточно большую глубину, процесс прекращают. Аллюминий является акцептором, т.е. там, где прошла диффузия, германий стал полупроводником с дырочной электропроводностью (р-типа). Выглядит это так:

Теперь надо только разрезать полученную пластину на кусочки, содержащие по три разных типа электропроводности (транзисторы), посадить в корпус и припаять кристалл к ножкам – транзистор готов.

Сплавные транзисторы намного лучше точечных: более управляемый процесс диффузии, просто поддерживается постоянная температура в печи и регулируется время диффузии. Точечная технология была вытеснена сплавной.

Однако у сплавной технологии есть определённые недостатки, к основным из них относится то, что диффузия проводится с разных сторон. Толщина пластины не может быть меньше 0,5...1 мм, так как иначе она станет гибкой, будет сворачиваться, и нельзя будет считать, что пластина плоская. Значит, толщина, на которую нужно провести диффузию, как минимум 250 мкм, толщина базы 1...5 мкм, и её надо сделать точно (с точностью не хуже 1 мкм). В итоге надо сделать диффузию на глубину 250 мкм с точностью не хуже 1 мкм. Это трудно осуществимо.

Постепенно в ходе разработки технологии изготовления транзисторов пришли к диффузионной технологии, в основе которой лежит фотолитография.

Кратко опишем фотолитографию. Её задачей является создание на поверхности кремния (он лучше всего подходит для фотолитографии) маски для диффузии, которая потом будет производиться локально. Эта маска должна выдерживать очень высокие температуры (1200...1300⁰С). Для этой цели годится оксид кремния, который получается очень просто путём окисления самого кремния при высоких температурах в парах воды и в кислороде. Его толщина порядки 1 мкм, но этого достаточно, чтобы не дать атомам примеси продиффундировать в полупроводник. Но в нужных местах в диоксиде кремния делают отверстия (окна), которые и будут определять, где пройдёт локальная диффузия.

Для изготовления окон обычно используют фоторезист – это практически фотоэмульсия, котора обладает особыми свойствами:

Она должна выдерживать травление плавиковой кислотой (обычная фотоэмульсия не выдерживает), что необходимо при вытравливании окон в диоксиде кремния.

Она обладает высоким разрешением (более 1000 линий на мм, или менее 1 мкм).

Она обладает низкой вязкостью, для того, чтобы могла растечься до слоя толщиной в 1 мкм (иначе столь высокого разрешения не получить).

Она чувствительна к облучению светом в ультрафиолетовой области (длина волны света составляет 0,3 мкм).

Так много особых свойств может иметь только особое вещество. Это пластмасса, которая под действием света разрушается, или, наоборот, под действием света образуется. Таких веществ найдено много. Это – фоторезисты.

Итак, в процессе фотолитографии, мы можем создать тонкий слой диоксида кремния (на кремнии, полупроводнике), затем нанести очень тонкий слой фоторезиста, далее через фотошаблон (особая фотопластинка, на которой есть много заранее рассчитанных и изготовленных тёмных и светлых мест) осветить её ультрафиолетовым светом, затем проявить, то-есть удалить освещённые места (или наоборот неосвещённые), далее можно удалить через окна в фоторезисте диоксид кремния (травление в плавиковой кислоте) и удалить сам фоторезист, так как его остатки могут помешать при высокотемпературном процессе диффузии.

Теперь можно производить диффузию с одной стороны:

А значит, легче сделать точно регулируемый тонкий базовый слой: делаем диффузию на глубину примерно 5...6 мкм, затем вторую диффузию на 3..4 мкм. База будет примерно 2 мкм. Глубина диффузии и толщина базы соразмерны, значит, можно их сделать точно (а общая толщина пластины может быть любой, например 1 мм). Пластину (как принято называть в электронике "чип") можно разрезать на отдельные транзисторы, проверить каждый транзистор, и хорошие транзисторы можно посадить в корпус.

Почему же только фотолитография позволила решить проблему точного задания толщины базы? Дело в том, что если толщина базы меньше 5 мкм (0,1 толщины волоса), то просто невозможно создать контакт к такой области. А в случае изготовления локальных эмиттерных областей этот контакт можно делать сверху там, где нет эмиттера – это может быть намного большая площадь.

Поэтому развитие фотолитографии и локальной диффузии привело к всеобщему признанию диффузионной технологии изготовления транзисторов.

В 60-70 гг. получила распространение транзисторная ЭВМ БЭСМ-6. Но она тоже работала примерно 1-2 суток, и выходила из строя. Надо было 1-2 суток ремонтировать. Что же дальше? Надо повышать надёжность транзистора. И эта проблема была решена!

У каждого транзистора три контакта, которые осуществляются припайкой золотых проволочек. 3 пайки к кристаллу, 3 пайки к ножкам корпуса, 3 пайки в схеме, где транзистор используется – всего 9. У МДП-транзисторов 4 контакта, значит всего 12 паек.

А что, если не разрезать пластину на отдельные транзисторы, а сразу использовать их в схеме? Идея заманчива, можно, по крайней мере, в 3 раза сократить количество контактов.

Однако есть проблема – все транзисторы будут закорочены по коллектору и базе. Значит, их надо изолировать друг от друга. И эта проблема была решена, и не одним способом!

Рассмотрим изоляцию р-п переходом. Сначала делают карманы: например в р-типе создают диффузией п-области:

Предположим, что между карманами есть напряжение, например, такое, что правый карман имеет положительный потенциал. Тогда правый р-п переход смещён в обратном направлении, и тока нет. Пусть, наоборот, правый карман имеет отрицательный потенциал – тогда левый карман смещён в обратном направлении, и тока снова нет.

Теперь в каждом кармане можно сделать свой транзистор, и он будет изолирован от других.

Есть ещё одна проблема. При каждой диффузии нужно передиффундировать тот слой, который был – то-есть концентрация носителей оказывается больше, чем в предыдущем слое. Значит, самая малая концентрация должна быть в пластине, в карманах она больше, карманы могут исполнять роль коллекторов, далее создаётся базовая область, в ней концентрация носителей ещё больше, чем в коллекторной области, потом мы делаем эмиттерную область, и в ней самая большая концентрация носителей заряда. Но это значит, что сопротивление коллекторной области самое большое, и поэтому очень велико RC – велика постоянная времени, транзисторы работают слишком медленно. Для повышения быстродействия транзисторов надо сделать на дне кармана тонкий слой с высокой концентрацией носителей заряда. Эта проблема тоже была решена с помощью эпитаксиального наращивания слоёв – наращивания слоёв с той же кристаллической ориентацией, что и у подложки. Это – эпитаксия. Можем нарастить тонкий слой монокристалла, но с другой концентрацией носителей заряда.

Теперь полный цикл изготовления микросхемы (интегральной схемы) выглядит так, как показано на рис. ниже.

На первом этапе делают локальную диффузию доноров, причём сильную – для создания скрытого слоя.

На втором этапе делают эпитаксию – наращивают эпитаксиальный слой с низкой концентрацией электронов (электронов больше, чем дырок).

На третьем этапе проводят локальную диффузию акцепторов для разделения на карманы.

Далее снова проводят диффузию акцепторов для создания базовых областей.

Теперь надо сделать эмиттеры, значит локальная диффузия доноров. Заодно делают подготовку для хорошего контакта к коллекторной области - внутри коллектора сильно легированная область.

И наконец, защищают всю поверхность кремния оксидом кремния, делают в нём окна для контактов к транзисторам, затем напыляют металл. Далее лишний металл удаляют.

Далее нужно разделить пластину на отдельные микросхемы, укрепить в корпус, припаять контакты.

Оказывается, интенсивность отказов микросхемы не определяется полупроводниковой структурой, а в основном зависит от числа контактов. Поэтому интенсивность отказов микросхемы тоже примерно 10^-7 ч^-1 . На одной микросхеме можно сделать много транзисторов. В настоящее время их количество может превышать миллион.

В схемах обычно много других элементов. Как их сделать?

В качестве диода обычно используют транзистор, у которого нет эмиттерной области, или у обычного транзистора закорачивают один р-п переход.

В качестве резистора используют базовую или коллекторную область, но её нужно сделать нужной длины и ширины, и к ней делают 2 контакта

В качестве конденсатора используют паразитную ёмкость р-п перехода, или делают конденсатор с диоксидом кремния в качестве диэлектрика.

Индуктивности, как правило, в микроэлектронной технологии не делают.

Однако есть пределы у микроэлектроники. Не очень-то удаётся увеличивать число транзисторов, так как они имеют ограничение по уменьшению размеров. Площадь кристалла тоже не удаётся увеличивать.

В этом случае есть надежда, что перспективу даст функциональная электроника – это электроника, в которой простые функции транзистора заменяются более сложными функциями, имеющими наличие в различных кристаллах – полупроводниковых, сегнетоэлетрических, магнето-электрических и так далее.

Л
ЕКЦИЯ 2

Электропроводность полупроводников

Электрический ток – это перенос электрических зарядов. Известно, что электрические заряды присущи элементарным частицам. Причём бывают положительные и отрицательные заряды. Так, атомы состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Самый малый заряд у электрона. Электроны притягиваются к ядру. У ядра атома заряд больше, но он кратен заряду электрона. В целом атомы нейтральны, так как число электронов равно заряду ядра. Но иногда электрон может быть оторван от атома. Обычно это легко делается при высоких температурах. Например, в радиолампе разогретый катод испускает электроны (котрые в 2000 раз легче атомов), и они участвуют в переносе тока от катода к аноду.

В твёрдых телах ситуация более сложная, так как электроны не свободны. Известно, что в отдельном атоме электрон находится в поле притяжения положительного заряда. Это можно представить себе как потенциальную яму, см. рис. слева. На рис. показана зависимость энергии от координаты для одного атома слева и для кристалла справа. В случае одного атома это просто уменьшение энергии от нуля в бесконечности до минус бесконечности в центре ядра. В потенциальной яме в случае очень малых частиц, когда применимы законы квантовой механики, всё не так, как в классической механике. Существует дискретный ряд разрешённых энергий, с которыми могут существовать электроны в атоме. Причём по принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться только один электрон. А в случае кристалла, когда атомы расположены строго периодически и на очень близком расстоянии друг от друга, картина принимает вид как на рис. справа (здесь, конечно, изображена одномерная ситуация, а не трёхмерная, для простоты). Видно, что из-за перекрытия потенциальных ям их высота понизилась, за исключением крайних потенциальных ям. Квантовая механика говорит, что в случае очень малых расстояний частицы (в данном случае электроны) могут преодолевать потенциальный барьер, не получая дополнительной энергии. Но вероятность того, что они преодолеют этот барьер, обратно пропорциональна ширине и высоте барьера, и даже в экспоненциальной форме. Поэтому только на атомном уровне сказывается квантовый эффект, который называется туннельным эффектом.

В результате электрон без всякой дополнительной энергии может проникнуть из одного атома в другой, соседний, затем в третий и т.д. Другими словами, электроны обобществляются. Но принцип Паули запрещает находиться на одном энергетическом уровне более чем одному электрону. Это приводит к тому, что каждый энергетический уровень в атоме расщепляется на энергетическую зону, которая состоит из такого числа уровней, сколько атомов в данном куске кристалла. Это очень много, в одном см³ атомов примерно 10²³ . Приближённо можно считать, что энергетические зоны сплошные.

Число зон в кристалле должно соответствовать числу уровней в атоме. Но ширина зоны зависит от глубины уровня. Чем он глубже, тем меньше ширина уровня, потому что тем больше преодолеваемый в туннельном эффекте барьер. Самые глубокие уровни практически не расщепляются. Самые верхние заполненные уровни расщепляются больше всего, они имеют наибольшую ширину. В полупроводниках наиболее интересными являются верхняя заполненная зона и следующая пустая зона. Поэтому потенциальные ямы атомов обычно не рисуют, а из зон рисуют только эти две:

Символом E_v обозначают верхнюю границу последней заполненной зоны, потолок валентной зоны, а символом E_c – нижнюю границу первой пустой зоны, дно зоны проводимости. Символом E_g = E_c - E_v обозначается ширина запрещённой зоны.

Итак, мы видим, что в твёрдом теле есть заряженные частицы – электроны, и они могут двигаться по твёрдому телу. Оказывается, всё не так просто. Так например, многие твёрдые тела являются металлами, и они хорошо проводят ток; другая ситуация с диэлектриками, которые плохо проводит ток. Есть ещё и полупроводники, занимающие среднее положение между металлами и диэлектриками. Разобраться в этом позволяет зонная теория электропроводности.

В диэлектриках электронов столько, что они полностью заполняют валентную зону, а зона проводимости пуста, там электронов нет. Поэтому зона проводимости ток не проводит, а валентная зона может ток проводить, но не проводит, потому что все состояния электронов в точности симметричны, и если есть состояние с импульсор р, то найдётся и состояние с импульсом

-р, каждое из этих состояний переносит ток, но направления этих токов противоположны, и в сумме переносимый ток равен нулю. Если валентная зона полностью заполнена, то каждый электрон проводит свой маленький ток, а весь кристалл никакого тока не проводит.

Иная картина наблюдается в металлах, где электронов столько, что они заполняют валентную зону только наполовину. При нулевой температуре (по Кельвину, т.е. –273^оС) все нижние состояния заполнены электронами, а все верхние – пустые. Но расстояния между состояниями очень малы, и малейшее возмущение системы, например, приложение маленького напряжения может вызвать смещение электронов из равновесного состояния, и нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям. Таким образом довольно легко возникает электрический ток, т.е. имеется электропроводность.

При более высоких температурах возникает некоторое размытие электронов по состояниям, а именно имеется функция распределения Ферми-Дирака:

F(E) – вероятность занятия уровня с энергией E электроном, E_F - некая константа, имеющая размерность энергии и называемая уровнем Ферми. Эта функция выглядит следующим образом:

З
десь функция F располагается горизонтально, а её аргумент E – вертикально. Левая сплошная линия – F(E)=0; правая пунктирная линия - F(E)=1. При Е>E₂ вероятность заполнения состояний электронами равна нулю – тока нет. При E l_p .

Введём понятие области объёмного заряда (ООЗ). Это область, в которой есть заряд, или в которой изменяются энергетические зоны. Ширина этой области

г
де  _о - мировая константа, равная 1/(9*10⁹) фм ,

_п - диэлектрическая постоянная полупроводника,

_о - контактная разность потенциалов, т.е. другими

словами высота потенциального барьера, делённая

на заряд одного электрона, В,

N_А - совокупная концентрация, определяемая формулой:

N_А = N_д N_а /(N_д +N_а )

где N_д – концентрация доноров в куске п-типа проводимости, а

N_а – концентрация акцепторов в куске р-типа проводимости.

Из этой формулы видно, что N_А ближе к той концентрации, которая меньше (если например N_д меньше, то ею можно пренебречь в знаменателе по сравнению с N_а, затем это N_а можно сократить, и останется только N_д).

Кстати, поэтому толщина всей ООЗ определяется той частью, у которой заряд меньше, так как она толще.

Электрическое поле можно определить по этой зависимости заряда от координаты. Просто надо взять интеграл от заряда. Получится кривая:

Ясно, что электрическое поле нарастает, причём растёт оно по прямой, так как плотность заряда постоянная, дорастает до Е_макс , а затем падает до нуля, так как далее заряд имеет другой знак.

Электрический потенциал также находится интегрированием электрического поля, при этом ясно, что потенциал поведёт себя так: горизонтально, где нет зарядов, (есть нейтральность); и параболически, где есть постоянный заряд и линейный рост электрического поля. Точно также ведёт себя и энергетический уровень, так как он определяется как произведение заряда электрона на напряжение (правда следует учитывать, что заряд электрона отрицательный, и потенциаль отразится относительно горизонтали).

Что же произойдёт с р-п переходом при приложении к нему напряжения?

Это зависит от того, куда приложен плюс, а куда минус. Считается, что если плюс приложен к р-области, а минус – к п-области, то это прямое смещение р-п перехода, а если наоборот, то это обратное смещение р-п перехода.

При прямом смещении р-п перехода (плюс к р-области) энергия электрона в р-области увеличивается, эта часть зоны на энергетической зоне поднимается, а в п-области – понижается, и п-область понижается. Поэтому потенциальный барьер уменьшается. Также уменьшается и ширина области объёмного заряда согласно формуле:

И
так, в р-п переходе имеется диэлектрическая область, которая при прямом смещении уменьшается по толщине. Поэтому сопротивление этой области значительно уменьшается.

При обратном смещении (плюс к п-области) энергия электрона уменьшается в п-области, эта область в зоне перемещается вниз, а р-зона – вверх. Высота барьера увеличивается, а также, согласно приведенной выше формуле, растёт ширина области пространственного заряда (следует иметь ввиду, что в этом случае в формулу подставляется отрицательное U). Т.е. в этом случае диэлектрическая прослойка внутри р-п перехода растёт, и сопротивление структуры увеличивается с ростом (по модулю) напряжения.

Более строгое теоретическое рассмотрение даёт такую формулу:

г
де I – ток, протекающий через р-п переход;

I_s – некоторая постоянная, имеющая размерность тока, определяется свойствами материала п- и р-типа электропроводности. Кривая, соответствующая этой формуле, представлена на рис.:

Р-п переход, или полупроводниковый диод, имеющий такую вольтамперную характеристику, используется для выпрямления электрического тока, как полученного из различных антенн, так и сетевого. Кроме того, он широко используется в других полупроводниковых устройствах, где используется 3, 4 или гораздо больше р-п переходов, что мы рассмотрим позже. Сейчас надо рассмотреть реальные характеристики р-п переходов.

Реальные характеристики сильно отличаются от идеальных. Так, в прямой ветви есть несколько отличий от идеальности, но главное, это то, что экспонента простирается только до напряжения U_п. При U>U_п потенциальный барьер полностью исчезает, и, значит, сопротивление р-п перехода становится равным только сопротивлению п- и р- областям, а сопротивление прослойки исчезает. Поэтому при U>U_п ВАХ линейна, см. рис.

Итак, в прямой ветви до U₀ сохраняется идеальная кривая (экспонента), а после – она заменяется на прямую.

В обратной ветви кроме экспоненты, которая довольно быстро приводит к насыщению, есть ещё и другой ток, вызванный генерацией носителей в области объёмного заряда. Дело в том, что при комнатной температуре (и тем более при повышенных температурах) в полупроводнике всегда рождаются электроны и дырки (термогенерация). Обычно они, немного поблуждав по полупроводнику, встречаются и гибнут (рекомбинация). Но те электроны и дырки (пары), которые родились в слое объёмного заряда, не успевают погибнуть, так как там есть электрическое поле, которое растягивает их в разные стороны. Но тогда, как показано на рис., через р-п переход протечёт элементарный точёк. Чем больше толщина слоя обёмного заряда, тем больше суммарный ток. Так что к обычному току насыщения, который существует в р-п переходе, добавляется ещё ток, пропорциональный толщине слоя объёмного заряда, то есть корню квадратному от обратного напряжения.

В разных диодах, приготовленных из разных полупроводников, толщина слоя объёмного заряда различная, и поэтому относительная величина этого вклада неодинакова. Обычно в германиевых р-п переходах этот вклад меньше, а в кремниевых р-п переходах больше, и в реальных кремниевых диодах обратный ток практически всегда пропорционален корню квадратному из модуля напряжения (приближённо).

Но в обратном направлении есть и ещё некоторые особенности, связанные с тем, что на р-п переходе падает большое напряжение. Поэтому при достижении некоторого напряжения наступает электрический пробой полупроводника.

Мы рассмотрим только один из возможных механизмов пробоя – лавинный. В этом случае при достаточно большой напряжённости электрического поля электрон в зоне проводимости, или дырка в валентной зоне могут разогнаться за время между соударениями с какими-то дефектами до энергии, достаточной для рождения новых электрона и дырки. Так вместо одного электрона (дырки) стало три частицы. Каждая из этих частиц тоже можут разогнаться до такой большой скорости и утроиться. Если напряжённость электрического поля увеличивается, то лавинообразный процесс увеличивается – утроение происходит дольше и количество частиц сильно увеличивается. На вольтамперной характеристике это соответствует почти вертикальному участку – напряжение не изменяется, а ток сильно растёт.

Дальше наступает тепловой пробой, т.е. получается так, что с ростом тока поднимается температура диода, это приводит к увеличению концентрации за счёт термогенерации, растёт ток, а это приводит к новому росту температуры и так далее, пока образец не сгорит. На этом участке вольтамперная характеристика имеет отрицательный наклон – динамическое сопротивление отрицательно.

К другим параметрам р-п перехода относится паразитная ёмкость диода. Она получается из-за того, что в р-п переходе всегда есть область объёмного заряда, то-есть область, в которой всегда есть заряд. Этот заряд зависит от приложенного напряжения, т.е. это и есть обычный конденсатор. Но в отличие от обычного конденсатора р-п переход имеет ёмкость, которая зависит от напряжения. Поэтому удобнее рассматривать не ёмкость, а динамическую ёмкость р-п перехода:

Эта ёмкость играет роль при обратном напряжении и называется барьерной. Очевидно, чем больше обратное напряжение, тем больше l и тем меньше С_Д . При прямом смещении С_Д тоже существует, но значительно большую роль играет диффузионная ёмкость, которая возникает из-за того, что происходит диффузия электронов и дырок в области с противоположным типом электропроводности. Однако рассмотрение этой ёмкости более сложное, и мы не будем её рассматривать.

Мы рассмотрели реальные свойства полупроводникового диода. А теперь рассмотрим применения диода.

Самое простое и очевидное применение р-п перехода – это использование его в качестве выпрямителя. Но здесь важно отметить, зачем делается выпрямление электрического тока. Прежде всего это выпрямление переменного тока для питания различной аппаратуры постоянным током. Это обычно 50 Гц или 60 Гц – довольно низкая частота. Поэтому быстродействие от этих диодов не требуется, но требуется пропускание довольно большого тока, достигается за счёт большой поверхности р-п перехода. Это так называемые силовые диоды.

Выпрямление тока происходит по следующей схеме:

От источника электродвижущей силы ток проходит через диод и затем через сопротивление нагрузки. На сопротивлении нагрузки выделится напряжение, похожее на диаграмму тока, т.е. напряжение будет одного знака, но очень пульсирующим, что недопустимо. Можно, конечно, усложнить схему за счёт использования четырёх диодов, тогда не будет пропусков, но импульсность останется. Поэтому применяют фильтрацию сигнала, в простейшем случае применяют просто конденсатор:

Другая ситуация возникает при использовании диода для выпрямления радиосигнала. Здесь другие частоты – от сотен килогерц до сотен Мегагерц. Поэтому главное требование к диоду – это его высокочастотность. Поэтому диоды делают маленькой площади и даже точечными, чтобы уменьшить их паразитную ёмкость. Здесь ещё остались точечные диоды.

Иногда используют вертикальный участок обратной ветви диода для стабилизации напряжения. Диоды, специально изготовленные для этого, называются стабилитронами. Важно уметь изготавливать стабилитроны на разное напряжение, т.е. сделать р-п переход с нужным значением пробивного напряжения. Этого легко добиться, подбирая нужную степень легирования (концентрацию доноров и акцепторов в п- и р-типе).

Паразитная ёмкость р-п перехода не всегда вредна. Иногда, когда ёмкость важна, р-п переход используют в качестве конденсатора. Особенно важно то, что его ёмкость можно регулировать, прикладывая разные обратные напряжения. Специально изготовленные для этого диоды называют варикапами.

Несколько отличные диоды получаются, когда р- и п-области сильно легированы, так что уровни Ферми слегка выходят в соответствующие зоны:

О
бласть объёмного заряда очень маленькая, так как велики копцентрации примесей – доноров и акцепторов. Поэтому очень велика вероятность того, что электроны из валентной зоны сразу переходят в зону проводимости (и обратно). В такой структуре при малых напряжениях протекают очень большие токи. При небольших смещениях в прямом направлении высота барьера уменьшается, и исчезает перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, ток уменьшается, а затем, когда барьер вовсе исчезает, ток снова растёт. Это так называемый тунельный диод. Его характеристика показана на рис.:

Важная особенность тунельного диода – это то, что он имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это позволяет сделать на нём простой генератор переменного сигнала, причём очень высокочастотный (СВЧ).

Особенно важно то, что р-п переход может взаимодействовать с различными излучениями. Если р-п переход взаимодействует со светом, его называют фотодиодом.

С точки зрения квантовой механики свет можно рассматривать двояко: с одной стороны это электромагнитная волна, а с другой стороны это поток частиц – фотонов. Взаимодействие полупроводника и света удобнее рассматривать с точки зрения фотонов.

Когда фотон попадает в полупроводник, он может столкнуться с электроном валентной зоны. При этом фотон отдаёт электрону и исчезает. Если фотон из видимой части спектра, его энергии вполне достаточно, чтобы произошла фотогенерация электрона и дырки (электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаётся дырка).

Когда фотон попадает в нейтральную область, то родившиеся пары (электрон и дырка), поблуждав некоторое время, могут встретиться и рекомбинировать. Таким образом, так как время жизни пар мало, эффект очень слабый. Совсем другое дело, если фотон поглотился в области объёмного заряда – тогда родившаяся пара разделяется электрическим полем этой области, так что после поглощения одного фотона через р-п переход пройдёт ток в один заряд.

Если фотодиод включён в коротко замкнутую цепь, то чем больше поток фотонов, тем больше фототок, такие фотодиоды используются для регистрации освещённости.

Если фотодиод включён в разомкнутую цепь, то фотогенерация приведёт к заряду областей: п-область – отрицательно, р-область – положительно. Но при этом уменьшится высота потенциального барьера, а следовательно, величина электрического поля в области объёмного заряда. В конце концов на р-п переходе появится разность потенциалов, равная контактной разности потенциалов U_n , и дальнейшее разделение пар фотогенерации прекратится.

Это обычно используется в солнечных батареях, где собирается в общую батарею большое количество дешёвых кремниевых диодов большой площади. Контактная разность потенциалов их составляет 0,6...0,7 В.

Полупроводниковые диоды используют также в качестве излучателей света – это так называемые светодиоды. К сожалению ни германий, ни кремний не могут излучать фотоны, так как они непрямозонные. Прямозонные полупроводники изображены слева (например AsGa), а Ge и Si справа

В
германии и кремнии боковой минимум расположен несколько ниже основного, и его заполняют электроны, поэтому они могут рекомбинировать только с выделением энергии и импульса, а в AsGa зоны прямые, и рекомбинация происходит без выделения импульса (выделяется только энергия). Поэтому в германии и кремнии выделяются фононы (имеющие примерно такой импульс), а в арсениде галлия – фотоны (не имеющие импульса).

Но в арсениде галлия длина волны излучения больше 1 мкм, т.е. он излучает в инфракрасной области спектра. Подходящая длина волны получается в фосфиде галлия, так как у него более широкая запрещённая зона, и это соответствует видимому свету.

ЛЕКЦИЯ 4

Биполярные транзисторы

На прошлой лекции мы рассмотрели работу одного р-п перехода (диода). Однако известно, что гораздо большее применение имеют полупроводниковые приборы с большим числом слоёв разного типа электропроводности, расположенных в разном сочетании. Сегодня мы рассмотрим биполярный транзистор.

Принцип действия биполярного транзистора заключается в том, что 2 р-п перехода расположены настолько близко друг к другу, что происходит взаимное их влияние, вследствие чего они усиливают электрические сигналы.

Как показано на рис., это три области – п-, р- и п. (В принципе может быть и наоборот: р-, п-, р-; все рассуждения относительно такого транзистора будут одинаковы, различие только в полярностях напряжений, такой транзистор называется р-п-р, а мы для простоты будем рассматривать п-р-п, изображённый на рис.)

Итак, на рис. изображены три слоя: с электронной электропроводностью, причём сильной, что обозначает плюс - эмиттер, дырочной - база, и снова электронной, но более слабо легированной (концентрация электронов самая малая) – коллектор. Толщина базы, т.е. расстояние между двумя р-п переходами, равное L_б , очень мала. Она должна быть меньше диффузионной длины электронов в базе. Это от единиц до десятка мкм. Толщина базы должна быть не более единиц мкм. (Толщина человеческого волоса 20-50 мкм. Отметим также, что это близко к пределу разрешения человеческого глаза, так как мы не можем видеть ничего меньшего, чем длина волны света, т.е. примерно 0,5 мкм). Все остальные размеры транзистора не более примерно 1 мм.

К слоям прикладывают внешнее напряжение так, что эмиттерный р-п переход смещён в прямом направлении, и через него протекает большой ток, а коллекторный р-п переход смещён в противоположную сторону, так что через него не должен протекать ток. Однако вследствие того, что р-п переходы расположены близко, они влияют друг на друга, и картина меняется: ток электронов, прошедший из эмиттерного р-п перехода, протекает дальше, доходит до коллекторного р-п перехода и электрическим полем последнего электроны втягиваются в коллектор. В результате у хороших транзисторов практически весь ток коллектора равен току эмиттера. Потери тока очень незначительны: проценты и даже доли процента.

Рассмотрим более внимательно составляющие токов в биполярном транзисторе п-р-п типа. Это изображено на рис.:

Верхний ток (большая толстая стрелка с минусом) – это ток электронов из эмиттера в коллектор. В эмиттере электронов много, поэтому этот ток большой. Когда электроны входят в базу, то дальше они движутся за счёт диффузии (электрического поля в базе нет) – слева электронов много, а справа – мало. Значит, они движутся слева направо. А в конце базы они попадают в область электрического поля коллекторного р-п перехода, которое вытягивает электроны из базы в коллектор. Так как это поле велико, концентрация электронов в базе непосредственно у коллекторного р-п перехода практически равна нулю. Поэтому градиент концентрации электронов в базе очень велик – слева их очень много, справа – почти нуль, а длина базы очень мала:

г
де n₀ - концентрация электронов в базе слева (у эммитера), очень велика.

Поэтому диффузионный ток очень велик. А дрейфого тока нет.

На самом деле он есть, но очень маленький. Действительно, напряжение к базе прикладывается, но сбоку, и маленькое (не больше одного вольта). А напряжённость электрического поля рассчитывается как отношение напряжения к расстоянию, на котором это напряжение прикладывается. В нашем случае расстояние – это толщина транзистора в направлении, перпендикулярном направлению диффузионного тока, и эта толщина в 10...1000 раз больше L_б. Поэтому дрейфовый ток существенно меньше диффузионного, второй маленький электронный ток на рис., который показан тоненькой линией, сворачивающей к базовому контакту.

Второй маленький ток электронов – это те электроны, которые встретились в базе с дырками и рекомбинировали. Дырки, необходимые для этого, могут притечь только из базового контакта, так как в коллекторе и в эмиттере их нет. Этот ток вначале обозначен минусом, а далее он встречается с дырочным током, который обозначен плюсом, и выходит из базового контакта (второй маленький точёк).

Третий маленький ток – это диффузионный ток дырок из базы в эмиттер. Он гораздо меньше диффузионного тока электронов (из эмиттера в базу), потому что электронов в эмиттере гораздо больше, чем дырок в базе (напомним, что эмиттер – наиболее сильно легированная область п-р-п транзистора). Это обозначено тоненьким дырочным током, который также может начаться только на базовом контакте, а заканчивается на эмиттерном контакте.

Итак, есть три маленьких тока, которые неизбежно должны проходить из базы в эмиттер: это дрейфовый ток электронов (мал по сравнению с диффузионным), ток рекомбинации (мал, потому что мала толщина базы) и дырочный ток диффузии (мал, потому что мала концентрация дырок в базе по сравнению с концентрацией электронов в эмиттере). И есть большой диффузионный ток электронов из эмиттера в базу, который идёт к коллекторному р-п переходу, и его электрическим полем протягивается в коллектор. Отношение коллекторного тока к базовому – это главный коэффициент, который показывает усилительные возможности транзистора:

Т
ак как I _к>>I_б , эта величина большая, т.е. транзистор усиливает ток. Обычно составляет 10 – 300, в редких случаях (у очень широкополосных транзисторов) может быть меньше (порядка 2...5), или больше, 5 000...10 000 у супербетатранзисторов.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы:



связано с I_к/I_э формулой:

И
наоборот:

Конечно, очень близко к единице, но >r_вх и >10.

Интересно также провести графическое исследование схемы. Это позволяет сделать правый рис., где показано семейство выходных ВАХ.

Предположим, что мы решили найти коллекторное напряжение с помощью графического метода. Для простоты считаем, что R_э = 0 R_н = бескон. Очевидно:

Справа стоит функция U_к(I_к), семейство этих функция имеется у нас на графике. Слева тоже какая-то функция от I_к. Но это прямая, так называемая нагрузочная прямая. Она определяется напряжением питания и сопротивлением коллектора. Две точки, через которые проходит эта прямая, это:

Iк	Uк
0	Eп
Eк/Rк	0

Нагрузочная прямая тоже изображена на рис. Её пересечение с одной из кривых семейства – это и есть графическое решение нашей задачи. И это решение более правильное, чем наше предыдущее, так как оно учитывает настоящие графики транзистора.

Пусть входные токи таковы, что работают первая и третья кривые семейства. .....

Теперь рассмотрим другую схему включения транзистора:

Здесь на входе транзистора всё точно также, как и в предыдущей схеме. А в коллекторе и эмиттере всё не так! Коллектор соединён прямо с источником питания, выходное напряжение берётся с резистора эмиттера.

Во первых, это сильно сказывается на входном сопротивлении схемы:

Е
сли входное сопротивление равно 3 кОм, а =300, то по формуле получается примерно 1 МОм, т.е. очень много.

Почему так получается? Из-за обратной связи. Дело в том, что на транзистор действует разность потенциалов между базой и эмиттером: чем больше эта разность, тем больше ток через эмиттерный р-п переход, тем больше падение напряжения на резисторе R_э , но тем меньше разность потенциалов на эмиттерном р-п переходе. Обратная связь – 100-процентная. Можем вычислить дифференциальный коээфициент усиления путём дифференцирования соответствующих уравнений. Поличим:

Если r_э = 30 Ом, а R_э = 3 кОм, то К_uд =1/(1+30/3000)=0,99. Видно, что К_uд меньше 1, но очень близко к ней.

Выходное сопротивление сильно уменьшается по сравнению с R_э .

Кажется, такое устройство не очень то требуется, так как коэффициент усиления меньше 1. Но тот факт, что у схемы с ОЭ как раз плохие параметры из-за того, что у ОЭ низкое входное сопротивление и высокое выходное, не получается использовать несколько схем с ОЭ, так как каждая следующая схема будет закорачивать выходной сигнал предыдущей. Если же между схемами с ОЭ использовать схемы с ОК, то высокое выходное сопротивление ОЭ согласуется с очень высоким входным сопротивлением схемы ОК, а низкое выходное сопротивление схемы ОК согласуется с не очень низким входным сопротивлением следующей схемы ОЭ.

Это происходит потому, что при единичном усилении по напряжению схема с ОК имеет довольно большой коэффициент усиления по току (примерно . Часто такие схемы называются эмиттерными повторителями.

Существуют ещё и схемы с общей базой. Они используются довольно редко, поэтому мы их не рассматриваем.

Ниже мы приводим таблицу сравнительных данных по этим схемам.

	rвх	rвых	Ku	Ki	Kp	Замечания
ОЭ	среднее	высокое	Большое	Большое	Очень большое	Часто использ.
ОК	очень большое	очень низкое	1	Большое	Большое	Не часто использ.
ОБ	малое	очень высокое	Большое	1	Большое	Редко использ.

ЛЕКЦИЯ 5

Полевые транзисторы

К другим устройствам с тремя слоями п- и р-типа относятся полевые транзисторы.

Полевые транзисторы с р-п переходом

Констукция этих транзисторов представлена на рис.:

Как видно, здесь тоже три слоя: п-, р-, и п-типа (может быть и наоборот: р-, п-, и р-тип). Между стоком (на рис. обозначен как С) и истоком (И) прикладывается напряжение, такое, что заряды (в данном случае дырки) вытекают из истока и втекают в сток. Значит, к стоку прикладывается отрицательное напряжение, исток заземляется. Из-за наличия р-п переходов область канала сужается, причём на самом деле даже больше, так как р-п переход толстый, у него есть область объёмного заряда (ООЗ), отмеченная на рис. пунктирной линией. К затвору (З) прикладывается положительное напряжение, так что р-п переходы смещены в обратном направлении, и ООЗ расширяется, а ширина канала сужается. Это приводит к уменьшению тока канала (потока зарядов от истока к стоку) – это регулировка тока, которая и даёт режим усиления.

Это транзистор с каналом р-типа. При обратных типах слоёв получится транзистор с каналом п-типа. У него всё также, только в канале протекают электроны, к стоку прикладывается плюс, а к затвору – минус.

Вернёмся к транзистору с каналом р-типа. Так как на затвор подаётся обратное напряжение, то он плохо пропускает ток (это обратный ток р-п перехода), т.е. входное сопротивление полевого транзистора очень велико. Полевой транзистор управляется напряжением, или полем. В этом он в каком-то смысле похож на радиолампу. Причём так же, как в радиолампе, при увеличении на затворе напряжения (по модулю) проходящий от истока к стоку ток падает. При некотором напряжении U_зи=U₀ ООЗ смыкаются, и ток стока равен нулю. Это напряжение называется напряжением отсечки.

Выходная и переходная характеристики представлены на рис.:

К
ак кажется при простом рассмотрении, характеристики ток стока – напряжение сток-исток должны быть прямыми, и лишь наклон их станет тем меньше, чем больше напряжение затвор-исток. Это потому, что при увеличении напряжения на затворе сопротивление канала увеличивается. Однако кривые быстро начинают насыщаться, выходят почти на горизонтальный участок. Объясниется это тем, что напряжение, падающее в канале, меняется от 0 до –U_си , а значит, на р-п переходе падение напряжения разное: в области вблизи истока оно равно U_зи , а в области влизи стока: U_зи + U_си , т.е. больше. Значит, на рис. слева в правой части ООЗ шире, а канал уже. Поэтому понятно, что сопротивление канала с ростом напряжения U_си растёт, а характеристики падают. На правом рис. представлена ситуация с очень большими напряжениями U_си , когда ООЗ верхнего и нижнего р-п перехода соприкасаются. Кажется, что в этом случае ток в канале должен исчезнуть, так как канал прерывается. Но на самом деле всё происходит иначе. Как видно из следующего рис., в ООЗ есть електрические поля, показанные стрелками, и их направление в основном от п- к р-типу. Но там, где ООЗ сливаются, это поле направлено слева направо, т.е. так, чтобы вытаскивать дырки из канала, где он ещё есть, направо, через ООЗ.

В каком-то смысле это очень похоже на случай с биполярными транзисторами: там тоже носители заряда диффундируют к коллектору, а затем очень сильным электрическим полем коллекторного р-п перехода вытаскиваются в коллектор.

В данном случае поле ООЗ гораздо больше, чем поле р-канала. Поэтому после того, как ООЗ сольются, дальнейший рост U_си обеспечивается ростом поля в ООЗ. А левая часть р-канала остаётся неизменной. Но именно она определяет ток через канал. Поэтому ток через полевой транзистор больше не меняется. (Ток немного увеличивается, но в первом приближении можно считать, что он неизменен.)

Это и есть рабочий участок выходной характеристики – ток определяется напряжением на затворе, но не зависит от напряжения на стоке, т.е. может использоваться для усиления напряжения. Обычно на этом участке работают усилители на полевых транзисторах, т.е. используется случай, когда ООЗ перекрываются.

Напряжение, с которого начинается пологий участок, называется напряжением насыщения:

Кроме того:

где I_cmax – максимальный ток стока, имеющий место при U_зи =0.

Для определения коэффициента усиления усилителя на основе полевого транзистора важно знать его крутизну (аналогично коэффициенту  в биполярных транзисторах):

где s_max – максимальная крутизна, имеющая место при U_зи =0. Она определяется как:

Крутизна измеряется в мA/В, и составляет обычно от 1 до 100. Входное сопротивление – 10⁹...10¹² Ом. На схемах полевые транзисторы изображаются так:

Н
еудобство полевых транзисторов заключается в том, что питание цепи затвора (входной) и стока (выходной) разнополярное, т.е. требуются две разных батарейки. Но с помощью конденсатора этого легко избежать, как показано на схеме. Это транзистор с п-каналом, поэтому к стоку приложено положительное напряжение, а к затвору – отрицательное. Оно образуется за счёт смещения, появившегося на сопротивлении истока. По переменному сигналу его величина полностью компенсируется за счёт включения параллельно с сопротивлением ещё и конденсатора.

Обычно полная схема содержит ещё и сопротивления во входной цепи, которые и определяют входное сопротивление схемы. Выходное сопротивление о
пределяется сопротивлением стока R_c и дифференциальным сопротивлением стока транзистора, т.е. наклоном выходной характеристики транзистора.

Коэффициент усиления этой схемы:

и может достигать нескольких сотен.

Это – схема с общим истоком (ОИ). Аналогично биполярным транзисторам, есть схемы и с общим стоком (ОС):

Кажется, что это существенно более простая схема, но практически она такая же, что и ОИ, но нет конденсатора С_и . Поэтому влияние отрицательной обратной связи не исключено, и вследствие этого коэффициент усиления по напряжению практически равен 1, но на самом деле несколько меньше. Коэффициент усиления по току больше 1, и выходное сопротивление существенно меньше, чем у схемы с ОИ.

Можно бы построить схему с общим затвором, аналогично схеме с общей базой у биполярных транзисторов. Однако кроме технических сложностей (трудно сделать общий затвор, когда нет тока затвора) нет и такой необходимости, так как входные сопротивления у полевых транзисторов очень велики, и не надо устранять эффект закорачивания выходного сигнала во многокаскадных схемах.

Полевые транзисторы МДП

Полевые транзисторы металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), или по другому металл-оксид-полупроводник (МОП) сильно отличаются от последних рассмотренных как по принципу действия, так и по технологии изготовления. Но конечные данные (переходные и выходные характеристики) у них очень похожи на кривые последних графиков.

Рассмотрим, например, полупроводник (кремний, германий) р-типа электропроводности. Будем считать, что на него нанесён тонкий слой диэлектрика (чаще других выращивается оксид кремния на кремнии). Толщина диэлектрика должна быть очень малой. Если в технологии полупроводников используются защитные слои оксида толщиной от 1 до 2...3 мкм, то мы будем считать, что толщина диэлектрика лежит в пределах 0,1...0,3 мкм.

А сверху на диэлектрике нанесён слой металла. Между металлом и полупроводником приложено электрическое поле.

В случае тонкого диэлектрика электрическое поле легко проникает в полупроводник. Что внесёт это поле в полупроводник, легко понять из исследования зонных диаграмм:

Н
а рис. изображены три зависимости энергии электрона от координаты. Слева представлен случай, когда к металлу (обозначен буквой М) приложено отрицательное по отношению к полупроводнику напряжение. Оно притягивает к поверхности полупроводника дырки, а электроны отталкивает. Иными словами, зонная диаграмма изгибается вверх, и при установлении равновесия дырок у поверхности станет ещё больше, чем было в исходном полупроводнике.

На среднем рисунке изображена диаграмма в случае, когда к металлу относительно полупроводника приложено положительное напряжение, зоны изогнуты вниз. Дырок у поверхности стало меньше, чем в глубине, а электронов – больше. Но пока дырок у поверхности больше, чем электронов.

На правом рис. ситуация кардинально изменилась: напряжение снова положительное, но уже достаточно большое, чтобы электронов у поверхности стало больше, чем дырок. Полупроводник разделился на две области: в глубине это по-прежнему р-тип, а вблизи поверхности – п-тип (произошла инверсия типа электропроводности).

Теперь рассмотрим конструкцию, изображённую на рис. слева. Это полупроводник (например кремний) р-типа, в котором сделаны две области п-типа. Сверху кроме защитного слоя диоксида кремния нанесён ещё тонкий слой диоксида кремния между п-областями. Если теперь подать напряжение между стоком и истоком, то ничего не произойдёт: ток не появится, так как при любом знаке напряжения хоть один из р-п переходов смещён в обратном направлении (это как в биполярном транзисторе при очень толстой базе – два р-п перехода отдельно).

А теперь давайте подадим положительное напряжение на затвор относительно подложки (справа). Если это напряжение больше некоторого, так называемого порогового (U_п ), то дырки оттолкнутся от поверхности вглубь полупроводника, а электроны притянутся к поверхности, и их станет больше, чем дырок – вблизи поверхности появится наведённый (индуцированный) слой п-типа. Этот слой соединит две исходные области п-типа, и между стоком и истоком появится ток. Говорят, что образовался канал п-типа.

Конечно, можно взять структуру с р-п-р областями. Все рассуждения для неё будут те же, но на затвор надо подавать отрицательное напряжение, и канал будет р-типа. Далее мы рассматриваем только п-канальный МДП транзистор.

Очевидно, эта структура имеет 4 контакта. Иногда их все используют. Однако чаще исток соединяют с подложкой, и остаётся только три контакта. Для простоты мы рассмотрим только этот случай.

На рис. представлены переходная и выходная характеристики полевого транзистора МДП со встроенным п-каналом. Видно, что в этом случае все потенциалы положительны. Переходная характеристика ведёт себя как часть параболы. Зависимость

тока стока от напряжения сток-исток представлена на правом рис. Эти кривые очень похожи на выходные характеристики полевого транзистора с р-п переходом, но только здесь знак тока стока и напряжения на стоке совпадают.

И здесь также, как и в предыдущем случае, возникает вопрос, почему характеристики не прямые – кажется, что только от напряжения U_зп зависит проводимость канала, и, следовательно, должен соблюдаться закон Ома, т.е. ток стока должен быть пропорционален напряжению сток-исток. Однако из рис. видно, что чем больше напряжение сток-исток, тем больше сопротивление канала. Объясняется это тем, что в канале есть падение напряжения, а так как в затворе нет никаких токов, то напряжение во всех точках затвора одинаковое. Если исток и подложка соединены, то в канале близ истока напряжение равно 0, а вблизи стока равно U_си , значит разность потенциалов между затвором и подложкой будет уменьшаться от истока к стоку, канал будет иметь разную толщину и электропроводность, как показано на рис. слева.

К
ак получается из теории, зависимость тока стока от напряжения на затворе и стоке имеет вид:

где К – коэффициент, зависящий от конструкции и технологии изготовления транзистора, имеет размерность А/В² . Это парабола в координатах U_си – I_c , причём перевёрнутая и проходящая через начало координат. Максимум лежит в точке

и составляет

а дальше должен быть спад. Но на графике этого спада не видно. В чём же дело? Оказывается, причина в том, что в р-п переходе есть ООЗ, а в ней – электрическое поле, указанное стрелками на рис.:

В
се стрелки имеют разное направление, но в конце канала направление всегда одинаковое: поле направлено так, что электроны вытягиваются из канала и втягиваются в область стока. Это поле очень большое, поэтому вытягивание электронов очень сильное. Это так же, как и у полевых транзисторов с р-п переходом и биполярных транзисторов. По этой причине с дальнейшим ростом напряжения на стоке всё избыточное напряжение падает на ООЗ стока и только приводит к вытягиванию электронов из канала в сток, а на канале падает одинаковое напряжение, и ток канала дальше не меняется. Поэтому спада тока нет, а есть постоянство (на самом деле очень медленный рост). Как раз эта область и является рабочим участком выходной характеристики полевого транзистора, т.е. транзистор всегда работает с закрытым каналом. Ток стока равен

Крутизна определяется производной тока по напряжению на затворе:

Чем больше напряжение на затворе, тем больше крутизна. Но реально затвор очень быстро пробивается, так как это очень тонкий слой оксида кремния, поэтому крутизна ненамного больше, чем у полевых транзисторов с р-п переходом. Кроме того, МОП полевые транзисторы очень часто пробиваются статическим напряжением, поэтому их надо припаивать к схемам с большой осторожностью. Обычно все контакты полевых транзисторов соединены между собой и рассоединяются только перед самой пайкой, паяльник должен быть заземлён, и тот, кто паяет, должен иметь на руке заземлённый браслет.

Ниже показаны схематичные изображения МОП полевого транзистора с п-каналом (слева) и с р-каналом (справа).

Т
акие транзисторы называются МОП транзисторы с индуцированным каналом. Можно, однако, перед тем, как делать подзатворный диэлектрик, провести ещё одну диффузию доноров для п-канальных транзисторов или акцепторов для р-канальных транзисторов, чтобы создать встроенный канал. тогда характеристики будут выглядеть так:

Теперь у транзистора есть ток даже при нулевом напряжении на затворе, и есть возможность управлять им, т.е получать усиление. Обозначаются такие транзисторы почти также, как и транзисторы с индуцированным каналом:

С
хемные решения МОП транзисторов с индуцированным и встроенным каналом практически мало отличаются от схем полевых транзисторов с р-п переходом, поэтому мы их не рассматриваем.

ЛЕКЦИЯ 6

Обратная связь

Сегодня мы исследуем на первый взгляд очень вредное явление – обратную связь.

Что такое обратная связь? Это очень просто. Во всех устройствах, где есть вход и выход, есть какие-то паразитные влияния выходных сигналов на входные сигналы. Кажется, с этим надо бороться. Но сначала давайте посмотрим, к чему это приводит.

На рис. показано усилительное устройство с одним входом и одним выходом (треугольник), наличие обратной связи показано прямоугольником, и эта обратная связь добавляется или отнимается от входного сигнала:

Пусть сначала часть выходного сигнала (В1, то К_ос=1/В. В противном случае К_ос