Главная  Журналы 

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

где jsp= DpPno/LpqDptii/NLp; jsn = qDnnpo/Ln = qDnni/NaLn - плотности дырочного и электронного токов насыщения; щ - собственная концентрация носителей заряда. Полный ток /?-п-пере-хода площадью 5д

/ = /„ + /р = 5д/Ле-1), (4.2.18)

где js=jsn+jsp - полная плотность тока насыщения р-п-перехо-да.

В рассматриваемой одномерной модели дырочный и электрон ный токи практически равны токам рекомбинации неосновных носителей в объеме полупроводниковых областей диода. Действительно,

р Рек

у Тр Тр J Хр

--«---Ьд/вре -1),

(4.2.19)

рек J

1 Anp(x)dx = =

--- -"fl/snl -Ч-

(4.2.20)

Здесь ufQp, dQn - заряды неосновных носителей в элементарном объеме dV-Sjidx; Qp, Q„-полные заряды неосновных носителей в объемах полупроводниковых областей.

Из (4.2.14), (4.2.15) видно, что, изменяя свойства материалов полупроводниковых областей, можно изменять соотношение между дырочным и электронным токами р-«-перехода. При этом необходимо иметь в виду, что диффузионные длины неосновных носителей заряда при высоких уровнях легирования полупроводниковых областей зависят от концентраций примесных атомов.

Модель рис. 4.2.1,6 отличается от модели рис. 4.2.1,а тем, что толщина области р значительно меньше диффузионной длины электронов, т. е. Wp<Ln. В этом случае распределение избыточной концентрации электронов в р-области Апр{х) близко к линейному:

АПр(х)л;Алр(0)(1-х/Гр). (4.2.21)

Диффузионная составляющая электронного тока перехода и электронный ток, вызванный рекомбинацией электронов в объем р-областн, определяются следующими выражениями:

,?Р„ ЗдДпр (0)

дх U = О"

-1); (4.2.22)

п рек

Qn qSAnp (0) с"/ J L\dx =

Хп т„ J I WpJ

qSAnp (0) Fp q 5д Dn A Пр (0) /Fp V 2xn Wp Un /

(4.2.23)

Из выражений (4.2.22), (4.2.23) ;видно, что рекомбинационный ток в объеме р-области значительно меньше диффузионного при

В полупроводниковых приборах широко используются неоднородные полупроводниковые области одного типа проводимости. На рис. 4.2.1,в для примера приведена модель структуры с резким п+-п-переходом. Свойства структуры с длинной л-областью (ifnXLp) не отличаются от свойств вышерассмотренных структур с однородными полупроводниковыми областями. Так как Wn" >iLp, то на длине Wn рекомбинируют практически все дырки, инжектированные в п-область при прямом смещении структуры, а через -п-переход протекают только основные носители заряда (электроны). Металлы с л+-областью образуют качественный омический контакт, а п+-«-переход имеет невысокий потенциальный барьер

ф+ = ф, 1п (л+/л„о) = Фт In {N+IN, (4.2.24)

снижающийся при прямом смещении структуры (при iV+3= =402 см-з, #д= 10 см-з, ф+„о=0,25 В).

Рассмотрим особенности диодной структуры с резким «+-«-переходом и короткой «-областью {WnLp). При прямом смещении структуры инжектированные р-л-переходом дырки в результате диффузии распространяются по п-области, попадают в область «+•-л-перехода, преодолевают невысокий потенциальный барьер этого перехода и полностью рекомбинируют в л+-областн, характеризующейся малым временем жизни т+р и соответственно малой диффузионной длиной L+p. Ток рекомбинации дырок в л+-области может быть определен по формуле аналогичной (3.2.19):

5д(/Др+Д+ 5д?р+Р+

ррек

(4.2.25)

Выразим концентрацию дырок на границе л+-п-перехода со стороны л+-области р+„г через концентрацию дырок на границе л+- п-перехода со стороны л-области р„г. В равновесном состоянии концентрации неосновных и основных носителей заряда на границах л+-л-области связаны соотношением

pjpt, =е<о"- = л+о г„о = Л/Лд. В квазиравновесном состоянии при низких уровнях инжекции {Apn~Ann<nno=Np,; Лр+™~Ап+«<я+™о~Л+д) наблюдается не-



значительное снижение потенциального барьера п+-п-перехода, так как справедливо соотношение

Pnvlpt = е "" = ntin,, Nt/N, (4.2.26)

где ф+к-величина потенциального барьера п+-п-перехода в квазиравновесном состоянии. Из (4.2.25) и (4.2.26) получим

D+ N

+оек =Я5д Рпт -7- = <75д р„ г f „+ ,

L+ N+

(4.2.27)

где Vn+=D+pNjxl {L+pN+ji) - эффективная скорость утечки пеоонов-ных носителей (дырок) через л+-п-переход. При УУ+д>Л/д iy„+->-0, следовательно, дырочный ток через л"""-л-переход мал и, следовательно, мал градиент концентрации дырок в «-области, определяющий величину дырочного тока (см. рис. 4.2.1,вт-Канцентрация дырок рпг незначительно отличается от концентрации дырок на границе инжектирующего р-«-.перехода рп{-йп) =Рпоехр({7/фт). Рассматриваемый п+-л-переход называется отражающим в отличие от поглощающего (рекомбинационного) перехода металл -

полупроводник, для которого Ригк~РиО-

в диодной структуре с отражающим л"*-ппереходом ток дырок через /7-л-переход практически полностью определяется током рекомбинации в объеме л-области:

р рек -----=

Тр Тр

\LpJ-

(4.2.28)

Сравнение диодных структур с длинной и короткой базами показывает, что при одном и том же напряжении на р-л-переходе дырочный ток и заряд неосновных носителей у структуры с короткой базой в Wn/Lp раз меньше, чем у структуры с длинной базой. Последнее необходимо учитывать при конструировании быстродействующих диодов, так как время переключения диодов определяется временем рассасывания неосновных носителей, накопленных в полупроводниковых областях.

Применение неоднородных полупроводниковых областей позволяет формировать диодные структуры с резко различающимися электронным и дырочным токами. В рассматриваемом примере

/р Рп«Рр LnWn DpLnWn (4229)

In ipgDnLpLp NDjiLpLp

При рро~Л/а<«по=Лд отношение токов Ip/In мало. Ток р-л-пе-рехода практически полностью определяется электронной составляющей. Рассмотренная диодная структура с л+-л-областью характеризуется также повышенным обратным пробивным папряже-инвж {/проб, которое увеличивается с уменьшением концентрации примесей материалов, oбpaзvющиx р-л-переход.

В диодной структуре рис. 4.2.1,г используется неоднородная полупроводниковая л-область с достаточно плавным изменением концентрации атомов легирующей примеси. Такое распределение получается, например, при формировании р-л-перехода диффузией. В иеоднородной области существует встроенное электрическое поле, обусловленное неравномерным распределением концентрации ионизированных атомов примеси. Дырочный ток в «-области определяется диффузионной и дрейфовой составляющими в соответствии с уравнением (4.2.4). При тормозящем встроенном электрическом поле дырочная составляющая тока р-п-перехода уменьшается по сравнению с вариантом однородно легированной л-области. Тормозящее поле в л-области, сформированной диффузией, приводит к накоплению дырок у границы р-л-перехода, где происходит достаточно эффективная их рекомбинация с электронами. В [10] получено приближенное выражение для дырочного тока диффузионного р-п-перехода

, , =S„qp„o{-h,){e""-l), (4.2.30)

\х= -Пц Тр

где - характеристическая длина в распределении доноров Мд,{х)xNa,(x=~Xi}ex.p[-{x-\xi\)/Ljx\ при -Xix-hn. Выражение (4.2.30) по форме подобно выражению (4.2.28). Отличие заключается в том, что вместо Wn используется 1д,~0,1 мкм. Диодные структуры, сформированные диффузией атомов примеси в однородную подложку, характеризуются явно выраженными асимметричными инжектирующими свойствами. В рассматриваемой структуре коэффициент инжекции электронов уп==1п/{1п+1р) = = l/(l-f-/p „) незначительно отличается от единицы.

Полупроводниковый р-л-переход характеризуется барьерной емкостью, которая зависит от напряжения смещения U:

1(4.2.31)

где Co{U)-удельная барьерная емкость р-л-перехода при напряжении смещения if/; Со(0) -удельная барьерная емкость р- п-перехода при U=0; ф„=фт1п (n„oPpo/«) - контактная разность потенциалов; т - показатель, определяемый конструктивно-технологическими особенностями переходов (от=1/2 для резкого перехода, т=1/3 для плавното).

Удельные емкости резкого и плавного переходов при U=Q определяются по известным выражениям

Со (0) =

.2 1фкиа + ЛД-/

Со (0) =

(воеп)Чг

L 121фн

(4.2.32) (4.2.33)

где Лг-градиент концентрации результирующей примеси у металлургической границы плавного р-п-перехода.



Быстродействие диода на основе р-п-перехода в основном определяется временем восстановления состояния диода при его переключении из прямого направления в обратное. При малой площади р-п-перехода влияние барьерной емкости на длительность процесса переключения невелико. Время восстановления диода определяется временем рассасывания неосновных носителей, накопленных в объемах р- и м-областей. На рис. 4.2.2 показаны гра-



Рис. 4.2.2. Схема включения диода (а) и гра- фики изменения напряжения источника сигнала (б), тока через диод (в) и концентрации неосновных носителей в диодной структуре (г) при переключении диода из прямого направления в обратное

фик изменения то-ка через диод при изменении полярности напряжения источника питания и примерная картина распределения концентрации неосновных носителей в несимметричной диодной структуре (ПпоРро) в различные моменты времени после переключения. Время =0 соответствует моменту переключения. При изменении полярности приложенного напряжения происходит рассасывание заряда иеосновных носителей, накопленного в объеме р-области. Пока iArtp(O)>0, переход смещен в прямом направлении и на нем действует послеинжекционная ЭДС

= фг 1п [А (0)/Про - 1].

Электроны переносятся из р-области в п+-область в результате диффузии в объеме полупроводника р-типа и дрейфа внутри перехода. При этом ток диода равен

где Я - внешнее сопротивление электрической цепи. На графике Init) существует «полочка» неизменного тока. После того как Апр(О) станет равным нулю, ток через переход начнет уменьшаться. При этом ток определяется скоростью переноса носителей из объема р-области.

В стационарном состоянии ток диода равен току насыщения р-п-перехода. Время восстановления диодов при переключениях зависит от зарядов неосновных носителей Qn и Qp, накопленных в областях диодной структуры при прямом включении, и времен жизни этих носителей Тп и тр. Величины зарядов в свою очередь зависят от уровня инжекции, объемов полупроводниковых обла-

стен и особенностей диодных структур, рассмотренных выше (тип контакта, расстояние от р-л-перехода до контакта рекомбинаци-онного или отражающего типа, уровень легирования и закон распределения атомов примеси).

Биполярные транзисторы. В полупроводниковых ИС наиболее широко используются биполярные п-р-п-транзисторы.

Структура. Типовая структура такого транзистора, изолированного от подложки обратносмещенным р-п-переходом, показана на рис. 4.2.3. Характерной особенностью транзисторов является их


Рис. 4.2.3. Структура планарного биполярного транзистора

планарная конструкция: все полупроводниковые области транзисторной структуры формируются в приповерхностном слое полупроводникового кристалла на глубине 5... 20 мкм. Выводы от эмиттера, коллектора и базы выносят на поверхность кристалла. Для образования омического контакта со слаболегированной «-областью коллектора используют снльнолегированную прнконтакт-ную «"-область. Области эмиттерного и коллекторного р-«-переходов, (выходящие на поверхность кристалла, защищены от внешних воздействий пленкой Si02. Для изоляции транзисторов от подложки применяют также диэлектрические пленки.

Рассматриваемую структуру биполярного транзистора можно расчленить на ряд зон: I - активная область базы (ба), расположенная непосредственно под эмиттером; И-область пассивной базы (бп), которая необходима для формирования базового контакта; П1 - периферийная область коллектора. В активной зоне поперечного транзистора носители заряда переносятся от эмиттера к коллектору в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла. Транзистор с такой структурой будем называть вертикальным или поперечным. Если ширина базы значительно меньше линейных размеров эмиттера, то активную область транзистора можно представить в виде идеализированной одномерной модели (рис. 4.2.4).

В полупроводниковых ИС применяют диффузионные транзисторы с однородно легированной базой и дрейфовые транзисторы с неоднородно легированной базой. Для формирования однородной базы используют тонкие эпитаксиальные слои. Распределение концентраций атомов примесей в планарном диффузионном п+- р-п-транзисторе с однородно легированными полупроводниковы-





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