- •Конспект лекций
- •«Физика полупроводниковых приборов ч.2» введение
- •1. Полевые транзисторы
- •1.1. Мопт с короткими и узкими каналами
- •1.1.1. Подпороговые токи
- •1.1.2. Уменьшение порогового напряжения
- •1.2. Мопт структуры
- •1.2.1. Мопт как усилитель мощности
- •1.2.2. Мощный мопт как ключевой элемент
- •1.2.3. Влияние температуры на параметры и характеристики мопт
- •1.3. Мощные свч мопт
- •1.3.1. Эквивалентные схемы мощного свч мопт в режиме малого и большого сигналов
- •1.3.2. Общий подход к выбору конструкции и проектированию топологии структуры мощного кремниевого свч моп-транзистора
- •1.4. Полевые транзисторы с затвором Шотки
- •1.4.1.Устройство и принцип действия
- •1.4.2. Пороговое напряжение
- •1.4.3. Сравнительные характеристики пт с управляющим
- •2. Мощные биполярные транзисторы
- •2.1.Свойства полупроводников с высокими концентрациями носителей заряда.
- •2.1.1 Амбиполярные подвижности и коэффициент диффузии
- •2.1.2. Время жизни носителей при высоком уровне инжекции
- •2.1.3. Уменьшение ширины запрещенной зоны в кремнии при высоких концентрациях носителей
- •2.2. Лавинный пробой электронно-дырочного перехода
- •2.2.1. Пробой планарного электронно-дырочного перехода
- •2.2.2. Методы повышения напряжения лавинного пробоя
- •2.2.3. Полевая обкладка и эквипотенциальное кольцо
- •2.2.4. Резистивная полевая обкладка
- •2.2.5. Диффузионное охранное и полевое ограничительное кольца
- •2.3 Мощные биполярные транзисторы
- •2.3.1. Структуры мощных транзисторов
- •2.3.2. Влияние высокого уровня легирования на коэффициент усиления по току
- •2.3.3. Расширение базы при высоких плотностях тока
- •2.3.4. Методы увеличения коэффициента усиления по току
- •2.3.5 Частотные свойства мощных транзисторов
- •2.3.6 Тепловые свойства транзистора
- •3.1. Туннельный и обращенный диоды
- •3.1.1. Принцип действия и вах туннельного диода
- •3.1.2. Зависимости тока туннельного диода от температуры
- •3.1.3. Частотные свойства туннельных диодов
- •3.1.4. Обращенные диоды
- •3.2. Параметрический диод (варикап)
- •3.2.1. Структура и принцип действия
- •3.2.2. Основные параметры
- •3.2.3. Частотные свойства
- •3.3. Приборы на пролетных эффектах
- •3.3.1. Общие сведения
- •3.3.2. Лавинно-пролетный диод
- •3.3.3. Инжекционно-пролетные диоды
- •3.4. Диод Шоттки
- •3.4.1. Общие сведения
- •3.4.2. Вольт-амперная характеристика диода Шоттки
- •3.4.3. Области применения диодов Шоттки
- •3.4.4. Ток неосновных носителей в диоде Шоттки
- •3.4.5. Частотные ограничения диода Шоттки
- •3.4.6. Сравнительный анализ диода Шоттки и диода на p-n-переходе
- •4. Тиристоры
- •4.1. Физика работы тиристоров
- •4.1.1. Диодные тиристоры
- •4.1.2. Структура и принцип действия
- •4.1.3. Закрытое состояние
- •4.1.4. Условие переключения тиристора
- •4.1.5. Открытое состояние
- •4.1.6. Диодный тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом
- •4.2. Разновидности тиристоров
- •4.2.1. Триодные тиристоры
- •4.2.2. Тиристоры, проводящие в обратном направлении
- •4.2.3. Симметричные тиристоры
- •4.3. Способы управления тиристорами
- •4.3.1. Включение тиристоров
- •4.3.2. Выключение тиристоров
- •4.4. Параметры и характеристики
- •5. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния
- •. Успехи освоения карбидкремниевой технологии
- •5.2.1. Вольтамперные характеристики при малых плотностях тока
- •5.2.2. Модуляция базы при высоких уровнях инжекции
- •5.2.3. Время жизни ннз: включение диодов и спад послеинжекционной эдс
- •5.2.4. Время жизни ннз: восстановление блокирующей способности диодов после их переключения из проводящего состояния в блокирующее
- •5.2.5. Моделирование статических и переходных характеристик диодов
- •5.2.6. Особенности переходных характеристик диодов с р-базой
- •5.2.7. Вах при высоких плотностях прямого тока: влияние электронно-дырочного рассеяния
- •5.3. Биполярные транзисторы (бпт)
- •5.3.1. Коэффициент усиления
- •5.3.2. Динамические характеристики
- •Тиристоры
- •5.4.1 Включение по управляющему электроду
- •5.4.2. Включение импульсами ультрафиолетового лазера
- •5.4.3. О критическом заряде включения SiC-тиристоров
- •5.4.4. Выключение импульсным обратным током управляющего перехода
- •Заключение
1.4. Полевые транзисторы с затвором Шотки
1.4.1.Устройство и принцип действия
Полевой транзистор с затвором Шоттки (ПТШ) принадлежит к классу полевых транзисторов с барьерным переходом. Простейшая структура ПТШ представлена на рисунке 1.15. На высокоомной (полуизолирующей) i*- GaAs подложке I (107…109 Ом.см) методами эпитаксии или ионного легирования сформирован активный слой n- GaAs толщиной а . Электроды стока (2) и истока (2) имеют омический контакт с активным n-слоем. Электрод затвора 3 образует с n-слоем контакт типа Шоттки, под которым формируется обедненная электронная область пространственного заряда (ОПЗ) толщиной Xd. В результате сток и исток соединены между собой проводящим электрически нейтральным каналом 4 толщиной а - xd. При изменении потенциала затвора изменяется толщина ОПЗ и, следовательно, толщина канала. Если между стоком и истоком приложено напряжение
Ucи=Uc-Uи,
то изменение напряжения между затвором и истоком
Uзи=Uз-Uи
приводит к изменению тока стока Ic вследствие изменения проводимости канал Принципы действия ПТШ и МОП-транзистора весьма схожи: в обоих приборах напряжение сток-исток модулирует проводимость канала. Однако имеются и существенные различия а.
Рисунок 1.15 - Простейшая структура ПТШ
В n-канальном МОП-транзисторе канал представляет собой приповерхностную область полупроводника, легированную акцепторами и обогащенную электронами вследствие эффекта поля. Толщина канала имеет порядок дебаевской длины экранирования, а модуляция его проводимости напряжением Uзи осуществляется за счет изменения концентрации электронов. Емкость затвор-канал определяется толщиной подзатворного диэлектрика и не зависит от напряжения между затвором и каналом.
В ПТШ канал представляет собой электронейтральную область, в которой положительный заряд доноров компенсирован зарядом основных носителей (электронов). Модуляция проводимости канала осуществляется за счет изменения толщины канала, которая обычно много больше дебаевской длины экранирования. Канал отделен от поверхности слоем ОПЗ, толщина которого зависит от напряжения между затвором и каналом и определяет барьерную емкость затвор – канал. Как правило, толщина ОПЗ в ПТШ больше толщины подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторе. Поэтому управляющее действие затвора проявляется несколько слабее, что снижает крутизну ВАХ. Однако во столько же раз снижается емкость затвор – канал. Кроме этого, в канале ПТШ подвижность электронов не подвержена действию поверхностных дефектов, как это имеет место в МОП-транзисторе.
Несмотря на отмеченные различия, ВАХ ПТШ и МОП-транзистора качественно весьма схожи. Основное различие связано с тем, что в МОП-транзисторе затвор электрически изолирован от канала диэлектриком и ток затвора практически равен нулю. В ПТШ переход затвор – канал имеет диодную характеристику и при положительных напряжениях Uзи ток затвора может быть достаточно большим.
1.4.2. Пороговое напряжение
При Uси = 0 (Ic = Iи = 0) потенциалы всех точек канала одинаковы, и 1 Хdn=Хdc . Толщина ОПЗ определяется напряжением Uзи
Xd=[20(Б-Uзи)/qNd]1/2 (1.19)
где Nd - концентрация доноров в однородно легированном активном слое; ϕБ – контактная разность потенциалов между затвором и активным слоем.
Пороговое напряжение Uпор. соответствует напряжению затвор – исток, при котором толщина канала обращается в нуль, т.е. a=Xd . Таким образом, следует:
Uпор.=
где
(1.20)
напряжение перекрытия канала, численно равное пороговому напряжению при
Величина барьерного потенциала слабо зависит от материала затвора, так как определяется в основном поверхностными состояниями, и составляет обычно около 0,8 В. Как будет показано ниже, крутизна ВАХ ПТШ пропорциональна произведению подвижности электронов в канале на концентрацию доноров. Для увеличения крутизны желательно повысить концентрацию доноров, однако при этом снижается подвижность, уменьшается толщина ОПЗ и возрастает емкость затвор – канал. Оптимальное значение лежит в диапазоне (1…5).1017см-3. При фиксированных значениях ивеличинаUпор. соответствует толщине активного слоя
При , пороговое напряжение отрицательно, и в равновесном состоянииканал существует. Такие ПТШ называютсянормально открытыми (встроенный канал). При пороговое напряжение положительно, и для образования канала необходимо приложить напряжениеТакие ПТШ называютсянормально закрытыми (индуцированный канал). Таким образом, толщина активного слоя является главным параметром, определяющим величину порогового напряжения.