Уравнение электронейтральности в неравновесных условиях
Уравнение электронейтральности в неравновесных условиях - раздел Электроника, Твердотельная электроника Как Уже Отмечалось В Разделе 6, Для Получения В Явном Виде Вольт-Амперной Хар...
Как уже отмечалось в разделе 6, для получения в явном виде вольт-амперной характеристики транзистора необходимо найти связь между поверхностным потенциалом ψs и квазиуровнем Ферми φc. Рассмотрим для этого уравнение электронейтральности:
. (6.59)
Заряд в ОПЗ состоит из заряда свободных электронов Qn в канале и заряда ионизованных акцепторов QВ, как показано в (6.54). Разложим заряд QВ по степеням ψs вблизи порогового значения поверхностного потенциала ψs = 2φ0.
Имеем:
, (6.60)
. (6.61)
Величина CB* – емкость обедненной области при пороговом значении поверхностного потенциала ψs, 2φ0.
С учетом (6.60) и (6.61) соотношение (6.59) примет вид:
. (6.62)
Назовем пороговым напряжением VТ напряжение на затворе МДП‑транзистора VGSв равновесных условиях (φc = 0), соответствующее пороговому потенциалу ψs = 2φ0:
. (6.63)
Из (6.62) и (6.63) следует, что
. (6.64)
С учетом значений для порогового напряжения соотношения (6.64) уравнение электронейтральности примет вид:
, (6.65)
где n и Δψs будут равны:
.
Множитель n – число, характеризующее отношение емкости поверхностных состояний и емкости обедненной области СВ к емкости подзатворного диэлектрика Сox. Значения n могут лежать для реальных МДП‑структур в диапазоне 1÷5. Величина Δψs характеризует отклонение в данной точке поверхностного потенциала от порогового значения. Слагаемое в уравнении (6.65) соответствует заряду свободных электронов Qn при пороговом значении поверхностного потенциала и обычно мало по сравнению с остальными слагаемыми, входящими в правую часть уравнения (6.65).
Для области слабой инверсии заряд свободных электронов мал и последним слагаемым в (6.65) можно пренебречь. Поскольку напряжение на затворе VGS и пороговое напряжение VТ– постоянные величины, то из (6.65) следует, что для области слабой инверсии в каждой точке инверсионного канала величина
должна оставаться постоянной. Постоянную величину найдем из условия, что вблизи истока φc = 0 и, следовательно,
. (6.66)
Отсюда следует, что в предпороговой области зависимость поверхностного потенциала ψs от квазиуровня Ферми φc будет определяться следующим выражением:
, (6.67)
здесь ψs0 – значение поверхностного потенциала в точке канала, где φc = 0.
Величина m равна:
. (6.68)
Таким образом, в МДП‑транзисторе в области слабой инверсии при отсутствии захвата на поверхностные состояния (Nss = 0; m = n) поверхностный потенциал ψs не зависит от квазиуровня Ферми φc и, следовательно, постоянен вдоль инверсионного канала. Этот важный вывод обуславливает целый ряд особенностей в характеристиках МДП‑транзистора в области слабой инверсии.
Для области сильной инверсии при в уравнении (6.65) в правой части доминирует слагаемое, связанное со свободными носителями заряда QW. Поэтому необходимо, чтобы вдоль канала в каждой точке величина заряда электронов Qn оставалась постоянной. Поскольку в этой области для Qn справедливо выражение (6.58), получаем:
.
Следовательно, в области сильной инверсии
. (6.69)
На рисунке 6.10 в качестве примера приведен расчет функциональной связи между ψs и φc по уравнению (6.65), выполненный численным методом. Параметры для расчета указаны в подписи к рисунку.
Рис. 6.10. Зависимость поверхностного потенциала ψs от величины квазиуровня Ферми φc в канале МОП ПТ при различных напряжениях затвора VG, B.
Зная связь между поверхностным потенциалом ψs и величиной квазиуровня Ферми φc, можно получить соотношение между дрейфовой и диффузионной составляющими тока в произвольной точке канала. Действительно, из (6.46), (6.47) и (6.67) следует, что для области слабой инверсии
. (6.70)
В области слабой инверсии при отсутствии захвата (Nss = 0, m = n) весь ток канала диффузионный. При наличии захвата на поверхностные состояния появляется дрейфовая составляющая. Физически она обусловлена появлением продольного электрического поля за счет различия в заполнении поверхностных состояний вдоль канала. При заполнении поверхностных состояний основными носителями тока инверсионного канала дрейфовый и диффузионный ток имеют одно и то же направление. При условии постоянства плотности поверхностных состояний Nss(ψs) в запрещенной зоне полупроводника соотношение между диффузионной и дрейфовой составляющей в области слабой инверсии сохраняется.
Для области сильной инверсии из (6.46), (6.47) и (6.69) следует, что диффузионный ток равен нулю и весь ток канала дрейфовый:
. (6.71)
В области перехода от слабой к сильной инверсии доля дрейфовой составляющей в полном токе канала возрастает от значения, определяемого соотношением (6.70), до единицы.
6.11. Вольт-амперная характеристика МДП‑транзистора в области сильной и слабой инверсии
После того, как из решения уравнения Пуассона получена зависимость заряда свободных носителей Qn(ψs, φc) как функция поверхностного потенциала и квазиуровня Ферми, а из уравнения непрерывности – связь между поверхностным потенциалом и квазиуровнем Ферми, можно вернуться к выражению для тока канала (6.43) и получить в явном виде вольт‑амперную характеристику МДП‑транзистора.
В области сильной инверсии из (6.43), (6.67) и (6.69) следует, что
. (6.72)
После интегрирования и учета того, что для области сильной инверсии в уравнении непрерывности (6.65) в правой части доминирует последний член, получаем:
. (6.73)
Отметим, что для области сильной инверсии, т.е. в приближении плавного канала, ВАХ МДП‑транзистора в виде (6.73) совпадает с ВАХ, полученной нами ранее в простейшем случае в виде (6.10).
В области слабой инверсии из (6.44), (6.57) и (6.67) следует, что
. (6.74)
После интегрирования (6.74) и учета того, что уравнение непрерывности (6.58) дает для этого случая
, (6.75)
получаем:
. (6.76)
Соотношение (6.76) представляет собой вольт‑амперную характеристику МДП‑транзистора для области слабой инверсии. На рисунках 6.11, 6.12 приведены проходные и переходные характеристики транзистора в этой области. Обращает на себя внимание тот факт, что в области слабой инверсии зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VGS – экспоненциальная функция, причем экспоненциальный закон сохраняется на много порядков. Ток стока не зависит практически от напряжения на стоке, выходя на насыщение при напряжениях исток-сток VDS порядка долей вольта. Напомним, что при слабом захвате () ток канала имеет диффузионный характер. Для случая, когда МДП-транзистор работает при напряжениях на затворе VGS больше порогового напряжения VT и напряжениях на стоке VDS больше напряжения отсечки VDS*, т.е. в области насыщения тока стока, ситуация усложняется. Точка отсечки соответствует переходу от области сильной к области слабой инверсии. Слева к истоку от точки отсечки канал находится в области сильной инверсии, ток в канале дрейфовый, заряд свободных электронов постоянен вдоль канала. Справа к стоку от точки отсечки область канала находится в слабой инверсии, ток в канале диффузионный, заряд свободных электронов линейно изменяется вдоль инверсионного канала. На рисунке 6.10 видно, что область перехода от сильной к слабой инверсии на зависимости ψs = φc выражается перегибом, что соответствует изменению соотношения между дрейфовой и диффузионными составляющими тока канала. Таким образом, в области отсечки ток в канале вблизи истока в основном дрейфовый, при приближении к стоку в области отсечки резко возрастет диффузионная составляющая, которая при нулевом захвате равна у стока полному току канала.
Предыдущий анализ позволяет получить распределение вдоль инверсионного канала квазиуровня Ферми φc, его градиента и заряда свободных носителей Qn(у). За основу возьмем выражение для полного тока в канале в виде (6.44). Будем считать, что подвижность μn не меняется вдоль инверсионного канала. Из условия непрерывности тока следует, что произведение
(6.77)
должно оставаться величиной, постоянной вдоль инверсионного канала. Заметим, что при больших величинах напряжения исток-сток VDS допущение о постоянстве подвижности μn = const может не выполняться. Физически зависимость подвижности μn от положения вдоль канала может быть обусловлена
Рис. 6.11. Зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG в предпороговой области для МДП‑транзисторов с разной толщиной подзатворного диэлектрика. Стрелками на кривых показаны области перехода от экспоненциальной к более плавной зависимости тока стока IDS от напряжения на затворе. Напряжение исток-сток VDS = 0,025 В
Рис. 6.12. Зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке VDS в области слабой инверсии при различных предпороговых значениях напряжения на затворе VG. VT= 2,95 В
ее зависимостью от концентрации свободных носителей. Поэтому в дальнейшем будем считать напряжение исток-сток VDS малым, когда μn = const.
Для области слабой и сильной инверсий соотношения (6.57), (6.67), (6.58), (6.69) дают соответственно:
; (6.78)
, (6.79)
где Qn0 – заряд электронов в канале при φc = 0(или вблизи истока, или при равновесных условиях).
Проведем интегрирование уравнения (6.77) с учетом (6.78) и (6.79) и с граничными условиями:
.
Предполагается, что длина канала L много больше области изменения легирующей концентрации вблизи стока и истока.
Получаем выражения для распределения квазиуровня Ферми вдоль канала в области слабой инверсии:
. (6.80)
Для градиента квазиуровня получаем после дифференцирования (6.80):
. (6.81)
Поскольку вдоль инверсионного канала произведение (6.77) остается постоянным, то, следовательно, заряд свободных электронов Qnлинейно спадает вдоль канала, как вытекает из (6.81):
. (6.82)
Ha рисунке 6.13а, б приведены величины квазиуровня и его градиента как функция координаты вдоль канала у в области слабой инверсии.
Рис. 6.13. Распределение потенциала вдоль инверсионного канала
а) распределение квазиуровня Ферми φc; б) распределение градиента квазиуровня Ферми вдоль инверсионного канала: 1,1’ – m/n =1; 2,2’ – m/n = 0,5; T = 80 K, 3,3’ – m/n = 1; 4,4’ – m/n = 0,5; T = 290 K.
Пунктирная линия соответствует линейному распределению квазиуровня Ферми φc вдоль канала
Для области сильной инверсии (6.77) с учетом (6.79) и (6.80) дает:
. (6.83)
Следовательно, в области сильной инверсии квазиуровень Ферми φc линейно меняется вдоль канала, заряд электронов постоянен в каждой точке канала. Отметим, что соотношения (6.58), (6.69), являющиеся основой (6.79), справедливы в области сильной инверсии, когда . Численный расчет уравнения (6.77) для всего реально изменяющегося диапазона поверхностных избытков Гn приведен на рисунке 6.14. Из рисунка 6.14 следует, что в области избытков Гn<< 109 см-2 справедливы соотношения (6.80 – 6.82), а в области Гn> 1012 см-2 – соотношения (6.83). В промежуточной области необходим численный расчет.
Рис. 6.14. Зависимость квазиуровня Ферми φc в точке канала y/L = 0,3 в зависимости от избытка электронов Гn при равных температурах Т и напряжениях VDS. Точки – эксперимент, сплошная линия – расчет
6.12. МДП‑транзистор как элемент памяти
Рассмотрим RC‑цепочку, состоящую из последовательно соединенных нагрузочного сопротивления RH ≈ 1 МОм и полевого транзистора с изолированным затвором, приведенную на рисунке 6.15а, б. Если в такой схеме МДП-транзистор открыт, сопротивление его канала составляет десятки или сотни Oм, все напряжение питания падает на нагрузочном сопротивлении RН и выходное напряжение Uвых близко к нулю.
Если МДП-транзистор при таком соединении закрыт, сопротивление между областями истока и стока велико (сопротивление р‑n перехода при обратном включении), все напряжение питания падает на транзисторе и выходное напряжение Uвых близко к напряжению питания Uпит. Как видно из приведенного примера, на основе системы резистор – МДП-транзистор легко реализуется элементарная логическая ячейка с двумя значениями: ноль и единица. Реализовать такую схему можно несколькими вариантами. В одном из них выбирается МДП‑транзистор со встроенным каналом и при напряжении на затворе, равном нулю, реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке 6.15а.
Рис. 6.15. Схема, поясняющая работу МДП‑транзистора в качестве элемента запоминающего устройства
а) открытое состояние; б) закрытое состояние
После подачи на затвор напряжения VGтранзистор закрывается и реализуется условие, показанное на рисунке 6.15б. В другом варианте выбирается МДП‑транзистор с индуцированным каналом и при напряжении на затворе VG, равном нулю, транзистор закрыт и реализуется случай, приведенный на рисунке 6.15б. При подаче на затвор обедняющего напряжения транзистор открывается и реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке 6.15а.
Одним из недостатков приведенной элементарной ячейки информации является необходимость подведения на все время хранения информации напряжения к затворному электроду. При отключении напряжения питания записанная информация теряется. Этого недостатка можно было бы избежать, если в качестве МДП-транзистора использовать такой транзистор, у которого регулируемым образом можно было бы менять пороговое напряжение VT. Тогда при положительном пороговом напряжении VT> 0 (n-канальный транзистор) МДП‑транзистор закрыт и реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке 6.18б. При отрицательном пороговом напряжении VT< 0 МДП‑транзистор закрыт и реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке 6.18а.
6.13. МНОП‑транзистор
Величина порогового напряжения VT определяется уравнением (6.64). Как видно из этого уравнения, для изменения величины порогового напряжения VT необходимо:
а) изменить легирование подложки NA(для изменения объемного положения уровня Ферми φ0, разности paбот выхода φms, заряда акцепторов в области обеднения QВ);
б) изменить плотность поверхностных состояний Nss;
в) изменить встроенный в диэлектрик заряд Qох;
г) изменить напряжение смещения канал‑подложка VSS (для изменения заряда акцепторов QВ в слое обеднения). Поскольку информацию в ячейку необходимо перезаписывать многократно, случаи а) и б) для этого оказываются непригодными. Случай г) не подходит вследствие того, что при отключении напряжения информация не сохраняется. Таким образом, для реализации энергонезависимого репрограммируемого полупроводникового запоминающего устройства (РПЗУ) необходим МДП‑транзистор, в котором обратимым образом было бы возможно изменять пороговое напряжение VT за счет изменения встроенного в диэлектрик заряда Qох.
Наиболее распространенными РПЗУ, в которых реализован этот принцип, являются РПЗУ на основе полевых транзисторов со структурой металл – нитрид – окисел – полупроводник (МНОП‑транзисторы) и на основе полевых транзисторов с плавающим затвором.
На рисунке 6.16а, б приведена схема, показывающая основные конструктивные элементы МНОП ПТ и МОП ПТ с плавающим затвором.
В МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное покрытие. В качестве первого диэлектрика используется туннельно прозрачный слой (dox < 50 Å) двуокиси кремния. В качестве второго диэлектрика используется толстый (d ≈ 1000 Å) слой нитрида кремния. Нитрид кремния Si3N4 имеет глубокие ловушки в запрещенной зоне и значение диэлектрической постоянной в два раза более высокое, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния SiO2. Ширина запрещенной зоны нитрида Si3N4 меньше, чем ширина запрещенной зоны окисла SiO2.
а) МНОП‑транзистор; б) МОП ПТ с плавающим затвором
На рисунке 6.17а приведена зонная диаграмма МНОП‑транзистора. Рассмотрим основные физические процессы, протекающие в МНОП‑транзисторе при работе в режиме запоминающего устройства. При подаче импульса положительного напряжения +VGS на затвор вследствие разницы в величинах диэлектрических постоянных окисла и нитрида в окисле возникает сильное электрическое поле. Это поле вызывает, как показано на рисунке 6.17б, туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид. Инжектированные электроны захватываются на глубине уровня ловушек в запрещенной зоне нитрида кремния, обуславливая отрицательный по знаку встроенный в диэлектрик заряд. После снятия напряжения с затвора инжектированный заряд длительное время хранится на ловушечных центрах, что соответствует существованию встроенного инверсионного канала. При подаче импульса отрицательного напряжения -VGS на затвор происходит туннелирование электронов с ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника, как показано на рисунке 6.17в. При снятии напряжения с затвора зонная диаграмма МНОП‑структуры снова имеет вид, как на рисунке 6.17а, и инверсионный канал исчезает.
Оценим величину инжектированного заряда, необходимую для переключения МНОП‑транзистора. Пусть величина ΔVT = 10 В, , .
Рис. 6.17. Зонная диаграмма МНОП‑транзистора:
а) напряжение на затворе равно нулю, ловушки не заполнены; б) запись информационного заряда; в) стирание информационного заряда
. (6.84)
Подставив численные значения в (6.84), получаем ΔNox ≈ 3·1011 см-2. Считая, что захват идет в энергетический интервал 1 эВ в запрещенной зоне нитрида и в слой толщиной 100 Å, получаем, что энергетическая плотность объемных ловушек Nt в нитриде должна быть порядка 2·1018 см-3·эВ-1.
Гуртов, В. А.
Г957 Твердотельная электроника: Учеб. пособие / В. А. Гуртов; ПетрГУ. – Петрозаводск, 2004. – 312 с.
ISBN 5‑8021‑0319‑1
В учебном
Зонная структура полупроводников
Согласно постулатам Бора энергетические уровни для электронов в изолированном атоме имеют дискретные значения. Твердое тело представляет собой ансамбль отдельных атомов, химическая связь между кото
Статистика электронов и дырок в полупроводниках
Равновесные процессы – процессы, происходящие в телах, которые не подвергаются внешним воздействиям. В состоянии термодинамического равновесия для данного образца кристалла при заданной температуре
Распределение квантовых состояний в зонах
Стационарные состояния электрона в идеальном кристалле характеризуются квазиимпульсом р. Запишем принцип неоднородностей Гейзенберга для квазиимпульсов dpx, dpy
Концентрация носителей заряда и положение уровня Ферми
Электроны, как частицы, обладающие полуцелым спином, подчиняются статистике Ферми – Дирака. Вероятность того, что электрон будет находиться в квантовом состоянии с энергией Е, выражается фун
Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике
Напомним, что полупроводник называется собственным, если в нем отсутствуют донорные и акцепторные примеси. В этом случае электроны появляются в зоне проводимости только за счет теплового заброса из
Определение положения уровня Ферми
В предыдущих рассуждениях мы считали, что уровень Ферми задан. Посмотрим теперь, как можно найти положение уровня Ферми.
Для собственного полупроводника уравнение электронейтральности прио
Проводимость полупроводников
При приложении электрического поля к однородному полупроводнику в последнем протекает электрический ток. При наличии двух типов свободных носителей – электронов и дырок – проводимость σ
Токи в полупроводниках
Как уже отмечалось выше, проводимость, а следовательно, и ток в полупроводниках обусловлены двумя типами свободных носителей. Кроме этого, также есть две причины, обуславливающие появление электрич
Неравновесные носители
Образование свободных носителей заряда в полупроводниках связано с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить энергию, до
Уравнение непрерывности
Динамика изменения неравновесных носителей по времени при наличии генерации и рекомбинации в полупроводнике, а также при протекании электрического тока определяется уравнением непрерывности. Для по
Ток термоэлектронной эмиссии
Рассчитаем ток эмиссии электронов с поверхности полупроводника в условиях термодинамического равновесия. Все свободные электроны в полупроводнике находятся в потенциальной яме. Функция распределени
Эффект поля, зонная диаграмма при эффекте поля
Рассмотрим зонную диаграмму приповерхностной области полупроводников в равновесных условиях. Рассмотрим, как будет меняться концентрация свободных носителей в приповерхностной области полупроводник
Дебаевская длина экранирования
Количественной характеристикой эффекта поля, характеризующей глубину проникновения поля в полупроводник, является дебаевская длина экранирования. Рассмотрим случай, когда полупроводник внесен во вн
Зонная диаграмма барьера Шоттки при внешнем напряжении
Рассмотрим, как меняется зонная диаграмма контакта металл – полупроводник при приложении внешнего напряжения VG, знак которого соответствует знаку напряжения на металлическом элек
Распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки
Рассмотрим более детально, как меняются электрическое поле и потенциал в области пространственного заряда контакта металл – полупроводник в виде барьера Шоттки. Для определенности будем рассматрива
Гетеропереходы
Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, pGe – nGaAs. Отличие гетеропереходов от обычного p‑n п
Выражение для заряда в ОПЗ
Выражение (3.18) для заряда в ОПЗ, полученное в предыдущем параграфе, справедливо для любых значений поверхностного потенциала. Однако использование его для конкретных случаев довольно затруднено в
Избыток свободных носителей заряда
Важной характеристикой ОПЗ является значение заряда свободных носителей (электронов или дырок) Qp,n или, если выразить этот заряд в единицах элементарного заряда, велич
Форма потенциального барьера на поверхности полупроводника
При решении уравнения Пуассона в разделе 3.2.1 нами был получен первый интеграл в виде (3.16). Для нахождения формы потенциального барьера, т.е. зависимости электростатического потенциала ψ
Емкость области пространственного заряда
Поскольку полный заряд в ОПЗ Qsc зависит от величины поверхностного потенциала ψs, то область пространственного заряда обладает определенной емкостью C
Влияние вырождения на характеристики ОПЗ полупроводника
При высоком уровне легирования полупроводниковой подложки или сильных изгибах зон уровень Ферми в ОПЗ может оказаться вблизи дна зоны проводимости или потолка валентной зоны. В этом случае выражени
Основные определения
Одной из принципиальных особенностей, характеризующих поверхность полупроводников или границу раздела полупроводника с каким-либо веществом, является изменение энергетического спектра для электроно
Природа поверхностных состояний
По физической природе поверхностные состояния разделяются на четыре основных типа [13]:
1) поверхностные состояния типа Тамма;
2) поверхностные состояния типа Шокл
Статистика заполнения ПС
Рассмотрим, как меняется заряд ПС при изменении величины поверхностного потенциала ψs. Функцию заполнения ПС возьмем в виде функции Ферми – Дирака. Величина энергии Ферми на
Уравнение электронейтральности
Рассмотрим более подробно связь между напряжением на затворе VG МДП‑структуры и поверхностным потенциалом ψs. Все приложенное напряжение V
Определение типа проводимости полупроводниковой подложки
Для определения типа проводимости подложки воспользуемся высокочастотной вольт‑фарадной характеристикой.
Как следует из эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 3.13, и вида высок
Определение толщины подзатворного диэлектрика
Поскольку, как было показано ранее, в обогащении емкость МДП‑структуры определяется только геометрической емкостью диэлектрика Cox, то:
Определение величины и знака встроенного заряда
Для определения величины и знака встроенного в диэлектрик МДП‑структуры заряда обычно пользуются высокочастотным методом ВФХ. Для этого, зная толщину подзатворного диэлектрика dox
Дифференциальный метод
Дифференциальный метод, или метод Термана, основан на сравнении экспериментальной высокочастотной емкости МДП‑структуры с теоретической расчетной емкостью идеальной МДП‑структуры с таки
Интегральный метод
Интегральный метод, или метод Берглунда, основан на анализе равновесной низкочастотной вольт-фарадной характеристики. Поскольку для равновесной низкочастотной C‑V кривой справед
Температурный метод
Температурный метод, или метод Грея – Брауна, основан на анализе изменения напряжения плоских зон VFB МДП‑структуры при изменении температуры T. При изменении темпера
Виды флуктуаций поверхностного потенциала
Предыдущее рассмотрение электрофизических процессов в МДП‑структурах неявно предполагало, что такие параметры, как величина встроенного заряда Qox, толщина подзатворного диэ
Функция распределения потенциала при статистических флуктуациях
При рассмотрении флуктуаций поверхностного потенциала вопрос о нахождении вида функций распределения является одним из важных. Поскольку заряженные центры в МДП‑структуре дискретны и случайны
Пространственный масштаб статистических флуктуаций
Рассмотрим, какой характерный пространственный масштаб имеют статистические флуктуации поверхностного потенциала в МДП‑структурах. Пусть на границе раздела полупроводник – диэлектрик находятс
Выпрямление в диоде
Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p‑n перехода является резкая асимметрия вольт‑амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низк
Характеристическое сопротивление
Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление rD и сопротивление по постоянному току RD.
Дифференциальное
Варикапы
Зависимость барьерной емкости СБ от приложенного обратного напряжения VG используется для приборной реализации. Полупроводниковый диод, реализующий эту зависимос
Влияние температуры на характеристики диодов
Как уже отмечалось, при прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький п
Стабилитроны
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольт‑амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт̴
Туннельный пробой в полупроводниках
Проанализируем более подробно механизмы туннельного и лавинного пробоя.
Рассмотрим зонную диаграмму диода с p‑n переходом при обратном смещении при условии, чт
Лавинный пробой в полупроводниках
Рассмотрим случай однородного электрического поля в полупроводнике. Если двигаясь вдоль силовых линий электрического поля электрон на расстоянии, равном длине свободного пробега λ, н
Приборные характеристики стабилитронов
Основными характеристиками стабилитрона являются ток Iст и напряжение Uст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона rст
Туннельный и обращенный диоды
Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p+‑n+ перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной
Переходные процессы в полупроводниковых диодах
При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде на основе обычного p‑n перехода значение тока через диод, соответствующее статической вольт-амперной характеристике, устана
Коэффициент инжекции
Рассмотрим более подробно выражение для коэффициента переноса, для этого проанализируем компоненты эмиттерного тока, как показано на диаграмме (рис. 5.10).
Коэффициент обратной связи
Коэффициент обратной связи по напряжению в биполярном транзисторе в схеме с общей базой показывает, как изменится напряжение на эмиттерном переходе при единичном изменении напряжения на коллекторно
Объемное сопротивление базы
Объемное сопротивление базы БТ в схеме с общей базой определяется чисто геометрическими особенностями конструкции БТ. Для сплавного транзистора, как показано на рисунке 5.14, общее сопротивление бу
Тепловой ток коллектора
Тепловым током коллектора Iк0 называют коллекторный ток Iк, измеренный в режиме разомкнутого эмиттерного перехода (режим холостого хода в эмиттерной цепи I
Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером
Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 5.15:
Характеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В тр
Дрейфовые транзисторы
В предыдущих разделах рассматривался перенос инжектированных носителей через базу биполярного транзистора. Процесс переноса являлся диффузионным, поскольку электрическое поле в базе отсутствует. Пр
Параметры транзистора как четырехполюсника.
h-параметры
Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как чет
Система z-параметров
Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника токи I1 и I2, а напряжения U1 и U2 будем о
Частотные и импульсные свойства транзисторов
Процесс распространения инжектированных в базу неосновных носителей заряда от эмиттерного до коллекторного перехода идет диффузионным путем. Этот процесс достаточно медленный, и инжектированные из
Глава 6. Полевые транзисторы
Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл – диэлектрик – полупроводник является эффект поля. Напомним, что эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электричес
Характеристики МОП ПТ в области плавного канала
Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП, схема которого приведена на рисунке 6.2. Координата z направлена вглубь полупроводника, y – вдоль по длине канала и х – по шири
Характеристики МОП ПТ в области отсечки
Как следует из уравнения (6.9), по мере роста напряжения исток‑сток VDS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т.е. заряд электронов в кана
Эффект смещения подложки
Рассмотрим, как меняются характеристики МДП‑транзистора при приложении напряжения между истоком и подложкой. Отметим, что приложенное напряжение между истоком и подложкой при условии наличия
Малосигнальные параметры
Для МДП‑транзистора характерны следующие малосигнальные параметры: крутизна характеристики S , внутреннее сопротивление Ri, коэффициент усиления m. Крутизна пе
Методы определения параметров МОП ПТ из характеристик
Покажем, как можно из характеристик транзистора определять параметры полупроводниковой подложки, диэлектрика и самого транзистора. Длину канала L и ширину W обычно знают из топологии
Учет диффузионного тока в канале
Запишем выражение для плотности тока в канале МДП‑транзистора с учетом дрейфовой и диффузионной составляющих тока. Имеем:
Неравновесное уравнение Пуассона
Запишем уравнение Пуассона для ОПЗ полупроводника р‑типа, находящегося в неравновесных условиях, в виде:
МОП ПТ с плавающим затвором
Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу работы похож на МНОП‑транзистор. Только в транзисторах с плавающим затвором инжектированный заряд хранится на плавающем затворе, находящемс
Приборы с зарядовой связью
Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рисунке 6.19 приведена схема, поясняющая устройство и основные физиче
Физические явления, ограничивающие микроминиатюризацию
Анализ показывает, что наряду с тенденцией уменьшения геометрических размеров каждого элемента в схемах проявляется тенденция к увеличению числа элементов в схеме. Если в начале 1960‑х годов
Феноменологическое описание ВАХ динистора
Для объяснения ВАХ динистора используют двухтранзисторную модель. Из рисунка 7.5 следует, что тиристор можно рассматривать как соединение р‑n‑р транзистора с n‑р‑n
Тринистор
Как уже говорилось, чтобы перевести тиристор в открытое состояние, необходимо накопить избыточный отрицательный заряд в базе n1 и положительный в базе р2. Это ос
Феноменологическое описание ВАХ тринистора
Аналогично как для динистора, запишем систему уравнений для тока тиристора через эмиттерный и коллекторный p‑n переходы, с учетом управляющего тока Iу через вторую ба
Требования к зонной структуре полупроводников
Эффект Ганна наблюдается главным образом в двухдолинных полупроводниках, зона проводимости которых состоит из одной нижней долины и нескольких верхних долин [32, 33].
Для того, чтобы при п
Статическая ВАХ арсенида галлия
Получим зависимость скорости дрейфа электронов от поля υД(E) для случая отрицательного дифференциального сопротивления.
Продифференцировав уравнение
Глава 9. Классификация и обозначения полупроводниковых приборов
При использовании полупроводниковых приборов в электронных устройствах для унификации их обозначения и стандартизации параметров используются системы условных обозначений. Эта система классифицируе
Графические обозначения и стандарты
В технической документации и специальной литературе применяются условные графические обозначения полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ 2.730‑73 «Обозначения условные, графические в
Список рекомендованной литературы
1. Физика твердого тела: Энциклопедический словарь /Гл. ред. В.Г. Барьяхтар, зам. глав. ред. В. Л. Винецкий. Т. 1, 2. Киев: Наукова думка, 1998.
2. Sah C.‑T. Fundamen
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
. (6.59)
, (6.60)
. (6.61)
. (6.62)
. (6.63)
. (6.64)
, (6.65)
.
и емкости обедненной области СВ к емкости подзатворного диэлектрика Сox. Значения n могут лежать для реальных МДП‑структур в диапазоне 1÷5. Величина Δψs характеризует отклонение в данной точке поверхностного потенциала от порогового значения. Слагаемое 
в уравнении (6.65) соответствует заряду свободных электронов Qn при пороговом значении поверхностного потенциала и обычно мало по сравнению с остальными слагаемыми, входящими в правую часть уравнения (6.65).
. (6.66)
, (6.67)
. (6.68)
в уравнении (6.65) в правой части доминирует слагаемое, связанное со свободными носителями заряда QW. Поэтому необходимо, чтобы вдоль канала в каждой точке величина заряда электронов Qn оставалась постоянной. Поскольку в этой области для Qn справедливо выражение (6.58), получаем:
.
. (6.69)
. (6.70)
. (6.71)
. (6.72)
. (6.73)
. (6.74)
, (6.75)
. (6.76)
) ток канала имеет диффузионный характер. Для случая, когда МДП-транзистор работает при напряжениях на затворе VGS больше порогового напряжения VT и напряжениях на стоке VDS больше напряжения отсечки VDS*, т.е. в области насыщения тока стока, ситуация усложняется. Точка отсечки соответствует переходу от области сильной к области слабой инверсии. Слева к истоку от точки отсечки канал находится в области сильной инверсии, ток в канале дрейфовый, заряд свободных электронов постоянен вдоль канала. Справа к стоку от точки отсечки область канала находится в слабой инверсии, ток в канале диффузионный, заряд свободных электронов линейно изменяется вдоль инверсионного канала. На рисунке 6.10 видно, что область перехода от сильной к слабой инверсии на зависимости ψs = φc выражается перегибом, что соответствует изменению соотношения между дрейфовой и диффузионными составляющими тока канала. Таким образом, в области отсечки ток в канале вблизи истока в основном дрейфовый, при приближении к стоку в области отсечки резко возрастет диффузионная составляющая, которая при нулевом захвате равна у стока полному току канала.
и заряда свободных носителей Qn(у). За основу возьмем выражение для полного тока в канале в виде (6.44). Будем считать, что подвижность μn не меняется вдоль инверсионного канала. Из условия непрерывности тока следует, что произведение
(6.77)
; (6.78)
, (6.79)
.
. (6.80)
. (6.81)
. (6.82)
как функция координаты вдоль канала у в области слабой инверсии.
. (6.83)
в два раза более высокое, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния SiO2. Ширина запрещенной зоны нитрида Si3N4 меньше, чем ширина запрещенной зоны окисла SiO2.
, 
.
. (6.84)
Новости и инфо для студентов