• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com

Моп-транзистор

Вернемся сначала к вопросу: как можно управлять проводимостью полупроводника? «А, это старый разговор о бутерброде, в котором часть хлеба превращается в масло»,— вспоминает читатель. Да, мы уже говорили о том, что для этих целей можно ввести в кристаллическую решетку полупроводника атомы примеси. Такой способ можно условно назвать «намазыванием масла навечно», Действительно, после такой процедуры нельзя получить снова «хлеб без масла», т. е. прежнюю проводимость полупроводника.

А нельзя ли научиться так управлять проводимостью полупроводника, чтобы можно было обратимым образом регулировать «толщину слоя масла», а если нужно, то вновь вернуться к исходному полупроводнику? Таким волшебным средством послужит электрическое поле!

Пластина полупроводника в электрическом поле

Поместим пластину полупроводника, например, n-типа между обкладками заряженного плоского конденсатора (рис. 61). Основные носители заряда — электроны — под действием электрического поля начнут смещаться я левой границе пластины, оставляя на противоположной границе нескомпенсированный положительный заряд неподвижных ионов донорной примеси. Небольшое числе неосновных носителей — дырок — будет переходить на правую границу пластины, оставляя на левой границе такое же небольшое число отрицательных акцепторных ионов (ионы изображены более крупными кружками).


Моп-транзистор, статьи для начинающих


Смещение зарядов приведет к возникновению внутреннего поля, противоположного внешнему. Напряженность этого поля будет растп до тех пор, пока напряженность полного электрического поля внутри пластины не окажется равной нулю.

Эта ситуация напомнит читателям поведение металла во внешнем электрическом поле. Однако в поведении полупроводников имеется очень важное отлично.

Зададимся вопросом: какова же толщина сдоя вблизи поверхности пластины, в котором концентрация электронов заметно выше, чем в остальном объеме полупроводника? Ведь процессу концентрации электронов на поверхности должен препятствовать обратный процесс их взаимного расталкивания?

Расчеты показывают, что избыточные электроны сосредоточены в слое, толщина которого равна так называемой длине Дебая LD. (П. Дебай - голландский физик, известный своими работами в области физики твердого тела.) Эта длина обратно пропорциональна корню квадратному из концентрации свободных носителей заряда.

Концентрация свободных электронов в полупроводниках n-типа по крайней мере на несколько порядков ниже, чем в металлах, поэтому длина Дебая для полупроводников значительно больше, чем для металлов. Например, в кремнии, применяемом для изготовления приборов, длина Дебая может составлять доли или единицы микрометра. В пределах этого слоя концентрация электронов постепенно спадает от некоторого конечного значения до концентрации основных носителей в объеме полупроводника.

Для того чтобы удержать в равновесии такое неравномерное распределение электронов, необходимо внутреннее электрическое поле. Отсюда становится ясно, что электрическое поле в полупроводнике должно быть равно

нулю везде, кроме поверхностного слоя толщиной LD. В этом слое напряженность электрического поля Е также постепенно снижается до нуля, как бы «повторяя» распределение избыточных электронов (рис. 62).


Моп-транзистор, статьи для начинающих


Это открывает неожиданные возможности для управления проводимостью приповерхностного слоя полупроводника. p-n-Переход — без всякого сплавления!

Посмотрите еще раз внимательно на рисунок, изображающий распределение концентрации электронов вблизи поверхности полупроводника, помещенного во внешнее электрическое поле. В слое толщиной LD в среднем концентрация основных носителей — электронов — выше, чем в остальном объеме пластины. Но это должно означать, что проводимость поверхностного слоя выше, чем проводимость остальной пластины!

За счет влияния электрического поля получился такой же эффект, как если бы в слой толщиной LD МЫ добавили дополнительную донорную примесь.

Если пластину полупроводника удалить из электрического поля, все встанет па свои места — проводимость пластины во всем объеме вновь станет одинаковой.

Итак, электрическое поле позволяет обратимо изменять поверхностную проводимость полупроводника.

Обратимся теперь к зонной диаграмме. Сначала посмотрим, чему соответствует увеличение концентрации электронов на поверхности полупроводника n-типа. Вспомним, что с ростом концентрации донорной примеси и, следовательно, с увеличением концентрации свободных электронов уровень Ферми приближается 4« гра-, нице зоны проводимости.

В нашем случае увеличение концентрации электронов достигнуто другими средствами — но ведь уровень Ферми этой разницы «не чувствует»! Все равно он должен, следуя за ростом концентрации на поверхности полупроводника, приближаться к границе зоны проводимости.

Но что же к чему приближается? Уровень Ферми к зоне проводимости или наоборот? Здесь уместно вспомнить известную поговорку; «Сено к лошади не ходит». В нашем случае «сено» — уровень Ферми. Действительно, в силу свойств самого уровня Ферми при равновесии во всей системе он должен оставаться постоянным. Остается заключить, что «лошадь» — граница зоны проводимости — должна пойти навстречу уровню Ферми, т. е. изогнуться вниз.

Что при этом будет с валентной зоной? Внутреннее строение полупроводника при движении электронов к. поверхности никак не изменяется. Следовательно, ширина запрещенной зоны должна остаться прежней. А это означает, что и граница валентной зоны будет, «как тень», следовать за границей зоны проводимости. Все это приведет к изгибу вниз всей зонной диаграммы (за исключением уровня Ферми!). Этот изгиб будет заметен, естественно, только на толщине слоя Дебая.

Теперь нам остается только использовать зонную диаграмму до конца, чтобы выяснить еще одну интереснейшую возможность управления электрическим полем.


Моп-транзистор, статьи для начинающих


Изменим направление напряженности электрического поля на противоположное и постепенно будем увеличивать напряженность. Теперь, очевидно, зонная диаграмма «поползет» вверх (рис. 63,а). Сначала в слое Дебая концентрация электронов несколько понизится; это будет соответствовать удалению уровня Ферми от края зоны проводимости.

Затем с ростом напряженности поля уровень Ферми на поверхности полупроводника достигает середины запрещенной зоны. Это значит, что в поверхностном слое полупроводника останется так мало электронов, что их концентрация будет равна концентрации неосновных носителей — дырок. Электрическое поле превратило полупроводник в собственный (рис. 63, б)!

И наконец, при дальнейшем росте напряженности поля наступает интересный момент — уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны и приближается к краю валентной зоны (рис. 63, в). Но ведь это соответствует тому, что полупроводник на поверхности приобретает проводимость р-типа! Поистине неожиданное и замечательное проявление влияния электрического поля!

Таким образом, электрическое поле «может» все то, что с таким трудом достигается специальными технологическими приемами. Посмотрим теперь, как реально создать полупроводниковую структуру, в которой преимущества электрического поля использовались бы в полной мере.

Вместо воздушного конденсатора — окисление полупроводника

Если обычный транзистор мы сравнивали с двусторонним бутербродом, то транзистор, о котором пойдет речь теперь, можно сравнить с изысканным кондитерским изделием — настолько изощренной и сложной кажется на первый взгляд «кухня» его изготовления.

Все начинается с однородной кремниевой пластины, например, р-типа. Путем нагревания примерно до 1200°С в кислороде пластину окисляют, т. е. покрывают тонкой до 1 мкм — пленкой диоксида кремния SiO2. Эта пленка, как оказалось, обладает превосходными диэлектрическими свойствами.

Затем на SiO2 «намазывают» слой вещества, так называемого фоторезиста, обладающего интересными химическими свойствами: после освещения фоторезист перестает растворяться в плавиковой кислоте, хотя растворяется в серной кислоте.


Моп-транзистор, статьи для начинающих


Как же используются свойства фоторезиста? С помощью этих свойств в пленке SiO2 можно образовать микроскопические, но с точными размерами отверстия, которые другим способом получить просто невозможно! Посмотрите на рисунок 64. Сначала на фоторезист накладывают прозрачную стеклянную пластину с затемнениями как раз в тех местах, которые соответствуют будущим отверстиям в S1O2. Теперь весь этот «пирог» освещают, и фоторезист становится устойчивым к плавиковой кислоте, за исключением тех темных мест, на которые не попал свет.

Стеклянную пластину снимают и опускают все остальное в плавиковую кислоту. В кислоте происходит вытравливание не только неосвещенных участков фоторезиста, но и находящихся под ними областей слоя SiO2. Остатки фоторезиста легко удаляются при полоскании в серной кислоте, которая, кстати, совсем не действует на оставшуюся пленку Si02.

Итак, в Si02 получились небольшие отверстия — их образно называют «окнами». Полученную структуру опять помещают в печь с парами атомов донорной примеси. При высокой температуре донорные атомы внедряются в кристаллическую решетку кремния (вот зачем понадобились окна!) и образуют две области n-типа — это исток и сток (совсем как в полевом транзисторе с р—п-переходами). Остальную часть пластины кремния от проникновения примеси надежно защищает слой SiO2.

После этого на полученную структуру накладывают тонкую металлическую пластину с отверстиями (эту пластину очень метко назвали «маской»). Маска закрывает почти всю пленку S1O2, кроме небольших участков в центре истока и стока и в середине «островка» , расположенного между истоком н стоком.

Структуру опять помещают в особую печь. В этой печи находится кусочек металла, который настолько сильно нагревается, что начинает испускать поток атомов прямо на маску. Эти атомы оседают как раз в тех местах структуры, против которых находятся отверстия маски. Этот с: лесс называют напылением металла на структуру.

И наконец, к напыленным участкам металла припаивают тонкие проволочки — и транзистор готов!

Как же теперь его назвать? Обратите внимание на то, что, так же как в полевом транзисторе с р—n-переходом, здесь имеются исток и сток. Однако область затвора имеет совершенно иную структуру. Здесь явно чередуются три области — металл, затем оксид и наконец полупроводник р-типа. Вот из-за этой особенности транзистор и назвали «МОП-транзистором», «МОП» — это первые буквы слоев, составляющих структуру затвора: металл — оксид — полупроводник.

Как затвор управляет работой МОП-транзистора?


Моп-транзистор, статьи для начинающих


Посмотрите на рисунок 65, На берегу «n-истока» «собрались» электроны, «желающие» перейти на другой берег — «n-сток». Однако электроны не смогут переправиться через канал до тех пор, пока затвор не соединит разводной мост.

Эта образная модель отражает процессы, происходящие в МОП-транзисторе. На рисунке 66 показана схема включения МОП-транзистора.


Моп-транзистор, статьи для начинающих


Пусть сначала ключ К разомкнут и напряжение на затворе отсутствует. В этом случае прибор, включенный между истоком и стоком, покажет, что сила тока в цепи равна нулю, так как между n-областями «мост окажется разведенным». Действительно, на пути протекания тока между истоком и стоком оказываются два перехода п—р и р-n. Для одного из них батарея U1 включена в обратном направлении, и, следовательно, это соединение будет обладать очень высоким сопротивлением.

Как же соединить этот «разводной мост»? Замкнем ключ К и будем постепенно увеличивать положительное -напряжение на затворе. Электрическое ноле через диэлектрическую прокладку — пленку SiO2 — частично проникнет в приповерхностный слой полупроводника в начнет изменять его проводимость. В тот момент, когда уровень Ферми пересечет середину запрещенной зоны, тип проводимости полупроводника изменится на противоположный и на поверхности р-области образуется канал л-типа — «зеленая улица», для электронов, п—р-Переходы исчезают, «разводной мост» соединен!

Если следить за показаниями прибора в цепи исток — сток, отмечая силу тока стока, то все будет происходить,


Моп-транзистор, статьи для начинающих


как показано на приведенной вольтамперной характеристике (рис. 67). Сначала сила тока стока близка к пулю. Когда напряжение между затвором и истоком достигает порогового напряжения, появляется n-канал и сила тока стока резко возрастает. При увеличений напряжения на затворе n-канал расширяется, его проводимость увеличивается и сила тока продолжает расти. Вот так и управляет электрическое поле работой МОП-транзистора!

Ну а почему же мощность управления в МОП-транзисторе еще меньше, чем в обычном полевом транзисторе? Да потому, что пленка Si02, как мы уже говорили, обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Л ток через такой диэлектрик практически равен нулю. Поэтому для управления работой МОП-транзистора можно применить очень слабый по мощности источник напряжения.




Похожие записи

Фотоны нарушают равновесие в полупроводнике. Чувствителен ли полупроводник к потоку фотонов? Пусть собственный полупроводник (примесей нет!) долгое время находится при комнатной температуре...

читать далее

Как ни могуществен этот маленький волшебник — транзистор, но и у него есть недостатки.

читать далее

Попробуем теперь разобраться в принципах работы транзистора и объяснить его усилительные свойства. Нам при этом поможет зонная диаграмма р—n-перехода.

читать далее