|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы Транзисторы Для полупроводниковой электроники вообще и для транзисторной в частности важное значение имеет группа электронных полупроводников, среди которых в настоящее время наиболее практически важными являются такие полупроводниковые материалы, как германий и кремний. Преимущество германия как исходного материала для изготовления транзисторов объясняется в первую очередь относительной простотой его очистки, а также технологичностью при обработке. Однако в последнее время для некоторых областей применения предпочтительнее оказывается кремний*). Что касается возможности применения полупроводниковых соединений типа niv (например, арсенида галлия), некоторые физические параметры которых лучше, чем у германия и кремния, то практическое их внедрение в транзисторную электронику связано с решением большого количества физических и технологических проблем и является вопросом будущего. Для понимания процессов в транзисторах необходим онредедеи-ньп1 фундамент пре,чставлоиий об э,1ект1)оиных нронессах и полупроводниках. Вопросы эти достаточно подробно пзложен1>1 в отечественных монографиях и поэтому в данном переводе были опуиены. Однако с це.тью обратить внпмаине читателя на наиболее важные закономерности явлениГ!, опредетяющих в конечном итоге главные физические и эксплуатационные х<ч.рактсрнстики транзистора, представляется нотезным дать сок])ащеииын обзор этих физических явлений. Трежде всего следует охариктеризовать процессы в :/лектрн-ческн нейтральном полупроводник€ в условиях термодинамического равновесия. Анализ этих процессов приводит к" выводу, что в полупроводниках носителями тока являются электроны и дырки, концентрация которых может существенно зависеть от температуры и, что самое главное, от концентрации примесных атомов-доноров Nd н акцепторов Na. Между концентрациями электронов (п) и дырок (р) устанавливается соотношение - закон действующих масс Это связа1ю главным образом с огромными успехами планар-нон технологии, а также с необходимостью повышать предельную рабочую температуру полупроводниковых приборов,  (np=ni), характеризующий термодинамически равиовесное состояние, являющийся следствием равенства скоростей генерации G и рекомбинации R носителей заряда обоих знаков. Другое важное соотношение, которое также характеризует термодинамически равновесное состояние, - это условие электрической нейтральности, которое показывает, что суммарный положительный заряд в полупроводнике равен суммарному отрицательному. Однако это соотношение имеет более узкое значение, поскольку оно характеризует состояние гомогенного (однородно легированного) бесконечно протяженного полупроводника. Соотношения, описывающие равновесное состояние, имеют важное значение для определения некоторых исходных параметров полупроводников и приборов на их основе, однако принцип действия транзистора связан с нарушением термодинамического равновесия, причем в зависимости от степени отклонения от равновесия можно говорить как о квазиравновесных процессах, так и неравновесных процессах. Так, процесс проводимости тока через однородный полупроводник является, строго говоря, квазиравиовсси111м процессом, одной из характеристик которого является подвижность носителей заряда (различная для электронов и дырок). Подвижность падает с ростом концентрацпи примеси, кроме того, в рабочем диапазоне температур она падает с ростом температуры. Существенное нарушение термодинамического равновесия в полупроводнике возможно в связи с изменением когнтептрпнип подвижных носителей заряда. В принципе можно представить два вида изменения коицептрацпи подвижных иосичелей, изменение копнепт-рацни основных носителей и изменение концентрации неосповшлх носителе!"! В счучае, когда" по как011-либо причине изменяется KoiineiiTpa-Ц11Я осиопшлх носителей, переходньп! процесс втлравнивания этой концентранни характеризуется постоянной времени диэлектрической релаксации (или максвелловским временем релаксации) OpFEo. Так, для германия это время порядка Ю с, По нстечепии времени порядка 1[ескольких (3-1) постоящплх вре\1еии О изменение кои-цснтрации основных носителей практически прекращается, Таким образом, гомогенные полупроводники практически всегда (в случае малых электрических полей) ведут себя, как электрически нейтральные. Положе1П1е дел существенно меняется, если в нейтральном полупроводнике изменяется концентрация неосновных носителей заряда, Поя зле! Hie избыточного заряда неосновных носптелен заряда приводит к нарушению электрической не"ггральност11, которая быстро, в течение указанного времени диэлектрической релаксации, восстанавливается. При этом концентрация основных носителей увеличивается в зависимостн от количества вводимых неосновных носителем зарядов. Изменение концентрации основных носителей может быть существенным (высокий уровень инжекции) или несущественным (низкий уровень инжекции). В обоих случаях происходит процесс выравнивания концентрации неосновных носителей заряда вследствие рекомбинации их с основными носителями. Этот процесс протекает практически уже в условиях электрической нейтральности и характеризуется постоянной времени, называемой временем жизни, которое Гораздо больше времени диэлектрической релаксации. Явление рекомбинации имеет важнейшее значение для принципа действия р-п переходов и транзисторов. Механизм рекомбинации может рассматриваться с различных точек зрения, однако для теории транзистора детальный механизм рекомбинации имеет второстепенное значение. Теория транзистора пользуется выводами теории рекомбинации, которые, как правило, сводятся к тому, что разность между скоростью рекомбинации и генерации пропорциональна отклонению концентрации неосновных носителей от равновесного значения и обратно пропорциональна времени жизни этих неосновных носителей заряда. Другой важнейший для транзисторной техники вопрос состоит в том, чтобы выяснить, где 1Именно происходит рекомбинация. В этом смысле рассматривается объемная рекомбинация (характеризуемая объемным временем жизни) и поверхностная рекомбинация (характеризуемая скоростью поверхностной рекомбинации). В транзисторах с относительно малым объемом кристалла процесс рекомбинации может разыгрываться преимущественно на поверхности, что заставляет обратить особое внимание на это явление. Обилие сведения из физики пол у провод пи ков могут быть с большой наглядностью изучены на примере р-п перехода, в котором раз1лгры,ваются все вышеупомянутые процессы. Первая часть монографии начинается с весьма подробного изложения явлении в р-п переходах. В следующих главах детально рассматривается физический принцип действия бездрейфового транзистора (глава 2- статические свойства, глава <3 - динамические свойства). Дрейфовый, транзистор рассматривается в главе 4, В главах 5 и 6 рассматриваются вопросы, связанные с некоторыми дополнительными процессами, неизбежно протекающими в том пли ином виде в транзисторах, что заставляет уделять им особое внимание. В главе 7 качесг-венно рассматриваются технологические методы изготовления транзисторов, а также дается общее представление о практических конструктивных формах современных транзисторов *\ Приведенный выше текст представляет собой сжатый авторизованный Перевод первых двух глав немецкого орипщала - Прим. перев.   ПЕРЕХОД OcHOfBHbiMH составнымИ частями биполярного тран-з1]стора являются два близкорасположенных слоя между юлупроводниковыми областями различного типа проводимости, так называемые р-п переходы. Для лучшего по-тимания электрофизических явлений в транзисторе следует рассмотреть -собственно р~п переход, так как его основные свойства определяют свойства транзистора. Под р-п переходом понимают амфотерный полупроводник*), в котором граничат два слоя с различным типом проводимости (р- и /г-типа), как это схематично показано на рис. 1.1. К внешнему контакту А примыкает, например, область германия р-типа, к контакту В - область /г-типа. Сечение полупроводника постоянно и настолько велико, что влияние поверхностных эффектов по сравнению с объемными несущественно. Между р- и п-областями находится переходная область (junction) - запирающий слой - пока с еще не вполне определенными границами, в котором происходит изменение типа про-зодимости. Явления в переходной области и ,в прилегающих областях, связанные с изменением типа проводимости, в конечном итоге обеспечивают работу переходя и определяют связь между током через структуру и напряжением на контактах А и В. При количественном описании свойств перехода для упрощения исходят из одномерной модели движения носителей заряда, т. е. пренебрегают прежде всего токами, н:оторые могут быть направлены к поверхности. Предварительное качественное рассмотрение процессов в р-п переходе позволит в дальнейшем перейти к их количественному анализу. * Под амфотериым полупроводником автор понимает поду про водник, который может иметь как п- так и р-тип проводимости.- Прим. ред.   Рис. 1.1. Качественное изображение структуры резкого несимметричного р-п перехода в равновесном (6=0, ) и в запирающем (t/<0, -) состоянии: а) геометрическая структура одномерной модели. На границе U тех-нологичоского перехода происходит резкое изменение тина примеси; □ ионизированные атомы примеси: о ~ подвижные иоснтелн зарядов; ООЗ - область объемного заряда; б) распределение концентраций aroNiOD примеси; в р-области- акцепторы с концентрацией Лд, в л области - доноры с концентрацией Л,; в) распределение концентраций подвижных носителей в области объемного заряда и в нейтральных областях. Внутри o6;iacTH объемного заряда (шириной U) пследстьие уравнонеппюания диффузионных и дрей(1»и1)ых токов устанавливается те11:--оди!(;пп1чсски раииоиссное рс-[Предел СП и е конпсп i ра пни vieKipo-нои и дырок. При смешении р-п перехода измепспие копцомтрацни П()Д1И1;к1М>1х носителей заряда охваты на ет также и ие11трильиые области (шириной W . рК Э го нзмрпеппе касается гдав)5ым обол-зг.м концентрации меоенов![Ых носителей заряда, Ширина области ооъо.мпО! о заряда зависит от велнчнн1>1 приложенного напряжения (па оси ординат использован логарифмический масштаб); г) распределение плотности объемного заряда внутри области объем-ноге заряда. Нсзаштриховапиая область граф11ка р{х), находяш.ая-ся под пунктирной линией, характеризует пе.тнчиНу заряда, изме-НЯ10П1СГОСЯ под действием внешнего (отрицательного) напряжения (e-iKocTiion эффект) (на оси ординат HCiu 1ьзован .ннейиый .масштаб) : 0} распределение поля; е] распределение ского потенциала. (ф- 0) принято в р-сбласти. В обес-точеннол состоянии высота потенциального барьера равна диффузионному напряжению. В запирающем состоянии высота барьера увеличивается на величину внешнего напряжения. электрического электростатиче-Начало отсчета  1 ♦ N йог f: actum а 6 \ 1J.   Пусть в ячбласти в к1)1сталличбской решетке имеются закрепленные дог-юры с не зависящей от координаты кзнцентрацией-Л/!* лоторьгсг случае истощения (ЛЛ-) определяют конце:?эа11,ню Ппа свободных э.п€ктронсв. Аналогично зтоглу выглядят соотношгенм « р-области (сонцентрация ашепторси jVa. ксицентрадля дырок ррц). Предположим, ктз на границе раздела кондентрацкя примесных атомов резкэ >-1еняется ог Кл до (точный закон измененмя хондентрадин не имее- болылого знлче-иия для вольтампернсй характери:тики перехода). В та-кэм случае свободнс движущиеся носителе заряда образуют два распсмс;ч*:2яиых зруг перед другом фронта кон-  к другу зследствие центрации, которые стремятся дру значительного градиента концентрации н непрерывисто 5=спорядочнога цвикения носител~<ей, сбусловленного тепловой энергией. 3 ре::улътатс этого начинают протекать диффузионные ток:: з обл.ястях полупроводника, примыкающих к границе раздела, т. е. нроислолит вь.равилва-нне концеитрадий иоситолей заряда. Пдофиль распределения коиценграцпн д.з]рок и элск-ронов iicrdTOxty отлло-HieTCM or ирофид:: р.лпрсдолоиии :vOHii.omj)aij]Mi npuvfCiK В пепосредственлой б.пизости от границы р,;;Д1ма возии-Кйст область нарушения электрической псГгг).1льи:>стп, Так, в р-обЛсКти слева oi /о (в я-оС.[асти сп[к.Ба or Ai) заряд акцепторов (соответственно доноров) ие IsOmhcjjch-р>стся зарядом д-[рок (соответствсннс элсктроиов) и об-зязустся результирующий стрицательный (соответствен НС. положительный эб в переход емныи зарг.д. Так К: 1сП области концеитрация основ.чых >;осг1тслей меньше, чем соответствующая Kciiciiграция пркмесных ата\:ов, "О этот слой часто иаяь.вастся оосдисниым fdeplction-ауег). Согласно уравнению Пуассона наличие объемного заряда влечет за собой дивергенцию электрического поля. Электрическое поле Ешеет такое направление и такую величину, что обусловленный им дрсйфозый ток полностью компенсирует диффузионный, и результирующий тох становится равным нулю. Это электрическое поле связано с падением электростатического потенциала в запирающем слое. Диффузия носкте.гей заряда в области, в которых они первоначально имелись в малом количестве, неизбежно ведет к повышению в них концентрации неосновных носителей, превышающей равновесное значение. Этот про-  цесс называется инжекцией неосновных носителей. Инжектированные неосновные носители вносят дополнительный заряд, нарушающий электронейтральность, которая восстанавливается в течение времени релаксации благодаря притоку из нейтральных областей основных носителей заряда. Дальнейшее снижение концентрации носителей в объеме происходит вследствие рекомбинации. Выпрямляющее действие р-п перехода можно теперь пояснить следующим образом: приложенное к внешним зажимам напряжение вызывает либо уменьшение падения напряжения на запирающем слое (прямое направление), либо увеличение его (запирающее направление); в первом случае первоначально имевшееся равновесие токов сдвигается в сторону резкого возрастания диффузионного тока; во втором случае равновесие сдвигается в противоположную сторону, и через запирающий слой может протекать только очень ма.чьи"! ток. 1.1. р-п переход в термодинамическом равновесии. Распределение потенциала в запирающем слое. Ширина запирающего слоя Для количествеииого анализа стационарного состояния рч1 перехода следует решить систему уравнси]1Й, состоящую из уравнения шереиоса, уравнения непрерывности для дырок или электронов, смотря по обстоятельствам, а также уравнения Пуассона при граничных условиях иа плоскостях А и В. При этом необходимо соблюсти условие непрерывности решений в переходной области. Следовательно, необходимо решить пять частных дифференциальных уравнений первого порядка для пяти переменных функций, зависящих от координат и от времени: п(х, у, Z, t), р(х, у, Z, t), Sn{x> у, Z, i), Sp(x, у, z, t) и E{x, у, г, /); Sp = qp\ipE - qDgrau p, dn lit (G - R) ~ div {piipE - Dp grad p), (G - R)n + div (ninB + Dn grad n). div E [ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 Платья с воланами |