• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

ПОЛЬОВІ ТРАНЗНСТОРИ

На відміну від біполярних польові транзистори є уніполярними на­півпровідниковими приладами, оскільки протікання в них струму об­умовлено дрейфом носіїв заряду одного знака в поздовжньому елек­тричному полі через керований канал р- або n-типу. Керування стру­мом через прилад здійснюється поперечним електричним полем (а не струмом, як в біполярних транзисторах), про що свідчить сам термін «польові транзистори». Таким чином, принцип роботи польового тран­зистора в загальних рисах грунтується на тому, що зміна напруженості поперечного електричного поля змінює провідність каналу, по якому протікає струм вихідного кола.

У пристроях промислової електроніки застосовуються дві різно­видності польових транзисторів: із затвором у вигляді p-n-перехо­ду та з ізольованим затвором. Принцип роботи, характеристики та параметри обох різновидів однакові.

Рис. 1.20

Польові транзистори з керуючим р-n-переходом. Розглянемо принцип роботи польового транзистора площинної конструкції з за­твором у вигляді p-n-переходу(рис. 1.20, а), схема ввімкнення яко­го із загальним витоком показана на рис. 1 .20, б.

Прилад складається з пластини кремнію з електропровідністю n-типу, що являє собою канал польового транзистора, до торців якої приєднані два металічних контакти, що називаються витік і стік. Послідовно до цих електродів подається напруга джерела живлення Е_D і опір навантаження. Напруга джерела живлення має таку полярність, щоб потік основних носіїв заряду (в каналі n-типу електронів) пе­реміщувався від витоку до стоку. На протилежні грані пластини вве­дені акцепторні домішки, що перетворюють поверхневі шари її в об­ласті напівпровідника р-типу. З'єднані електрично разом, ці шари створюють єдиний електрод, який називають затвором. При цьому між каналом та затвором створюються два р-n-переходи.

Рис. 1.21

Провідність каналу визначається його перерізом. Змінюю­чи напругу на затворі U_DS , що зміщує при вказаній на рис. 1.20, а полярності джерела Е_D переходи в зворотному напрямі, мож­на змінювати переріз каналу (за рахунок розширення або звуження збіднених шарів переходів), а отже, опір каналу та протікаючий через нього струм. При U_GS = 0 струм стоку I_D в каналі має мак­симальне значення I_{D sаt} (струм стоку насичення, рис. 1.21, а), оскіль­ки переріз каналу максимальний. При збільшенні зворотної напруги U_GS збіднені шари p-n-переходіврозширюються, зменшуючи пе­реріз каналу, через який протікає струм між витоком та стоком. При напрузі відсікання U_GS0 переріз каналу зменшується практично до нуля, і струм I_D припиняється. При цьому витік і стік ізольовані один від одного. Розглянуті процеси ілюструє стокзатворна ха­рактеристика (рис. 1.21, а). Таким чином, ке­рування струмом стоку (основного кола) майже безструмне, оскіль­ки на затвор подається зворотна напруга і через нього протікає лише зворотний струм р-n-переходу.

На рис. 1.21, б показана сім'я стокових вихідних характеристик . Розглянемо характеристику сім’ї при напрузі на затворі U_GS = 0. При подачі на стік позитивної відносно витоку напруги (рис. 1.21, 6) і її збільшенні струм стоку зростає за нелінійним законом. Нелінійний характер струму стоку пояснюється тим, що із зростанням напруги U_DS , яка зміщує р-n-переходи та­кож в зворотному напрямі, переріз каналу зменшується, причому тим більше, чим ближче до стоку, оскільки спад напруги в каналі за рахунок струму стоку росте від U_DS (0) = 0 на витоку до U_DS на стоку. При цьому провідність каналу зменшується і зростання струму сповільнюється. Коли напруга на стоку досягає рівня так званої напруги насичення U_DS = U_{DS sаt} , відбувається повне пере­криття збідненими шарами каналу на стоку (у витоку переріз кана­лу залишається попереднім, оскільки U_DS (0) = 0). При цьому по­дальше збільшення U_DS приводить до слабкого з6ільшення струму стоку, оскільки одночасно збільшується опір каналу, а струм стоку досягає значення струму насичення I_{D sаt} . Очевидно, що при U_GS = 0 U_{DS sаt} = U_GS0 . Режим пологої ділянки вольт-амперної характеристи­ки називають режимом насичення.

За умови |U_GS | > 0 під дією двох напруг U_GS та U_DS розши­рюються збіднені шари і зменшується переріз каналу, напруга на­сичення зменшується і для будь-якого значення напруги на затворі U_GS становить

U_{DS sаt} = U_GS0 - U_GS .

Зі зменшенням напруги U_{DS sаt} зменшується також струм на­сичення І_{D sаt} стоку. В робочому режимі використовують пологі ді­лянки вихідних характеристик. За умови великих напруг на стоку настає пробій структури. Тому в робочому режимі перевищення максимально допустимої напруги стоку неприпустиме.

Основні параметри польового транзистора такі:

крутість характеристики керування

що характеризує підсилювальні властивості приладу . Числові зна­чення цього параметра становлять 0,1 ... 10 мА/В;

внутрішній опір транзистора

Оскільки на пологих ділянках вихідних характеристик (ділянка наси­чення) струм стоку змінюється дуже мало, то цей параметр має значен­ня сотень кілоом - одиниць мегаом;

вхідний опір

Він являє собою диференційний опір p-n-переходу, зміщеного в зво­ротному напрямі. Оскільки струм затвору І_G визначається зворот­ним струмом переходу, то вхідний опір польових транзисторів дуже великий: 10⁶...10⁹ Ом.

Крім вказаних параметрів, польові транзистори характеризуються граничною частотою f_S , на якій модуль крутизни характеристики ке­рування зменшується в раз, вхідною С_GS , прохідною С_GD та вихідною C_DS ємностями, а також допустимою потужністю розсіювання Р_т . Слід зазначити, що параметри польових транзисторів, як і інших напівпровідникових приладів, залежать від режиму роботи, температури, а також від геометрії елементів структури.

Польові транзистори з ізольованим затвором. На відміну від польо­вих транзисторів із затвором у вигляді p-п-переходуу польових транзисторів з ізольованим затвором між металічним затвором і областю напівпровідника є шар діелектрика (МДН-транзистори). Ос­кільки як діелектрик звичайно використовують двооксид кремнію SiO₂, то транзистори із структурою метал-оксид-напівпровідник називають МОН-транзисторами. В них підкладку роблять із слаболегованої кремнієвої напівпровідникової пластинки, яка має провідність n- або р-типу. Є дві різновидності МОН-транзисторів: із вбудо­ваним (рис. 1.22, а)та наведеним (рис. 1.22, 6) каналами.

Рис. 1.22

В процесі окислення на поверхні пластинки створюється тонкий 0,2-0,3 мкм шар двооксиду кремнію. Через отвори в діелектрику в тілі підкладки створюються дві сильнолеговані області, що мають провідність протилежного типу по відношенню до провідності підкладки (в даному випадку n⁺-типу). Домішка через отвори вводиться мето­дом дифузії. Одержані сильнолеговані області обладнуються зовнішніми виводами і використовуються як витік S та стік D, віддаль між якими порядку 5 ... 10 мкм. Контакти електродів виготовляють техно­логічними методами, що запобігають ефекту випрямлення у переходах. Над шаром двоокису кремнію між витоком і стоком наносять мета­лічний шар, від якого зроблено вивід, що використовується як затвор G. Діелектрик між затвором і вбудованим або наведеним каналами в МОН-транзисторі знімає обмеження на полярність напруги на затворі, характерне для польових транзисторів з керуючим p-n-переходом .

Підкладка в робочому режимі з’єднується, як правило, з витоком, однак може бути використана як додатковий керуючий електрод.

Тонкий поверхневий канал для струму основних носіїв заряду між витоком і стоком в МОН-транзисторі з вбудованим каналом (рис. 1.22, а)створюється штучно або виникає природно в результаті контактних явищ на межі напівпровідника з діелектриком. Тип провідності каналу збігається з типом провідності витоку і стоку. За наявності напруги між витоком і стоком струм у колі стоку (каналу) I_D буде протікати навіть при нульовому зміщенні на затворі U_GS = 0 (див. стокзатворну та вихідну вольт-амперні характеристики, рис. 1.23, а, б). Якщо до затвору відносно витоку і підкладки приклас­ти від'ємну напругу, то дірки з підкладки втягуватимуться в канал, а електрони виштовхуватимуться. Провідність каналу, що позбавле­ний частини основних носіїв, зменшується, в результаті чого знижуєть­ся струм стоку (режим збіднення). За U_GS = U_GS0 природний канал вникає, і струм стоку дорівнює нулю (рис. 1.23, а). Позитивне зміщення на затворі (U_GS > 0) викликає приток у канал основних носіїв заряду (електронів), в результаті чого зростає струм стоку. Такий ре­жим роботи МОН-транзистора називається режимом збагачення.

Рис. 1.23

Отже, МОН-транзистор з вбудованим каналом за своїми властивостями та характеристиками подібний до польового транзистора з керу­ючим p-n-переходом і відрізняється лише тим, що для його закриття потрібне негативне зміщення у випадку каналу з провідністю n-типу і позитивне зміщення - у випадку провідності р-типу.

У МОН-транзистора з наведеним каналом (рис. 1.22, б) за відсут­ністю зміщення на затворі канал відсутній і струм стоку I_D практич­но дорівнює нулю. За деякої позитивної (для транзисторів з n-підклад­кою - негативної) відносно витоку напруги на затворі, що називається пороговою U_В0 ,в поверхневому шарі між витоком і стоком через наявність діелектрика SіО₂ відбувається явище інверсії. В результаті створюється тонкий канал інверсійного шару, товщина якого і питома провідність для основних носіїв заряду збільшуються із зростанням напруги на затворі. Якщо при цьому до стоку прикласти напругу такої ж полярності, як і на затворі, то струм стоку I_D зі збільшенням напруги U_GS зростає (див. стокзатворну та вихідну характеристики, рис. 1.23, в, г). Напругу U_В0 можна трактувати як напругу відсікан­ня U_GS0 польового транзистора з керуючим p-n-переходом (див. рис. 1.21, а). За зовнішнім виглядом вихідні вольт-амперні характе­ристики МОН-транзистора (рис. 1.23, 6, г)аналогічні одноіменним характеристикам польового транзистора з керуючим p-n-переходом (рис. 1.21, б).

Відсутність струму стоку при нульовому зміщенні на затворі, а також однакова полярність напруги на затворі та стоку в МОН-тран­зисторів з індукованим каналом є сприятливою передумовою для по­будови високоекономічних імпульсних схем. При використанні МОН-­транзисторів в аналогових пристроях орієнтуються на їх дуже великий вхідний опір, що досягає через наявність шару діелектрика 10¹⁵ Ом.

Параметри польових транзисторів з ізольованим затвором в першому наближенні такі, як і в транзисторів з керуючим р-п-переходом. Полярність робочих напруг на електродах для різних типів польових транзисторів вказані в табл. 1.1.

Таблиця 1.1. Полярність робочої напруги на електродах польових транзисторів

Тема 2. ІНТЕГРАЛЬНІ МІКРОСХЕМИ

ПЛАНАРНА ТЕХНОЛОГІЯ

При виготовленні p-n-переходів напівпровідникових приладів ранніх випусків використовувались технологічні методи вирощування монокристала напівпровідника з розплаву і вплавлення домішки в монокристал (вирощені і сплавні р-n-переходи). Напівпровідникові прилади з такими p-n-переходами працювали на дуже низьких час­тотах. Робочі потужності цих приладів були невеликі. Тому головним завданням напівпровідникової електроніки в перше десятиріччя її існування було розв'язання двох проблем:

створення транзисторів, які спроможні підсилювати і генерувати електричні коливання у всьому діапазоні радіочастот аж до мілімет­рових хвиль;

збільшення робочих потужностей від частин вата до десятків і со­тень ват.

Скоро стало ясно, що розв'язання цієї проблеми здебільшого пов'я­зане з можливістю створення в глибині кристала і на його поверхні вкрай малих областей з особливими властивостями.

З метою зменшення площі p-n-переходуі відповідно його ємності розроблений електрохімічний метод, який дозволяє виготовляти так звані поверхнево-бар'єрні переходи, що конструктивно аналогічні сплавним. Суть цього методу полягає в тому, що на поверхні пласти­ни напівпровідника з допомогою тонкої струминки електроліта витрав­люється заглиблення (лунка), розміри якої визначають площу р-n-пе­реходу. В заглибленні на поверхню пластини електролітичним спосо­бом осаджують, а потім вплавляють відповідний метал, який є доміш­кою р-або n-типу. Так утворюється р-n-перехiд, тобто контакт метал-­напівпровідник. Напівпровідникові прилади з поверхнево-барєрними p-n-переходами (переходами мезаструктури) більш високочастотні порівняно з приладами, які мають вирощені або сплавні р-n-пере­ходи (переходи класичної структури).

Для переходів класичної структури характерне почергове розмі­щення шарів з різними типами провідності. В мезаструктурі окремі шари розміщені на підвищенні над монокристалом напівпровідника (основою), як на гірському плато (mesa). Однак у тому і другому ви­падках р-n-переходи виходять на поверхню кристала. При цьому навіть незначне забруднення або зволоження області p-n-переходу спричиняє погіршення і нестабільність його параметрів.

У 1959 р. була запропонована так звана планарна технологія ви­готовлення напівпровідникових приладів, яка відкрила нову еру в мікроелектроніці. Існує два різновиди планарної технології: планарно­дифузійна і планарно-епітаксійна. Етапи виготовлення p-n-переходівметодом планарно-дифузійної технології показані на рис. 2.1.

На поверхні однорідної пластини монокристала кремнію p-типу термічним окисленням кремнію формується тонка захисна плівка дво­оксиду кремнію SіО₂ (рис. 2.1, а). Електронно-дірковий перехід утво­рюється в об’ємі напівпровідника під цим захисним шаром, що запобі­гає дії різних зовнішніх факторів на p-n-перехід, а також відіграє важливу роль у процесі виготовлення планарних структур, забезпечуючи проникнення домішки в певні ділянки кристала.

Рис. 2.1

Для цього способом фотолітографіївиготовляється оксидна маска. Пластину кристала кремнію з рівномірною тонкою (товщина 0,5 мкм) плівкою SіО₂ вкривають шаром світлочутливої емульсії – ­фоторезистом, то6то наносять на пластину кілька краплин фоторезисту і вміщують її у стіл центрифуги. Під час обертання під дією відцентрової сили фоторезист розтікається, утворюючи тонку рівномірну плівку (рис, 2.1, б), яку висушують.

Фоторезист чутливий до дії ультрафіолетового світла. На кремнієву пластину накладають фотошаблон з рисунком ділянок, які в по­дальшому повинні бути оброблені, щільно притискують до пластини і освітлюють ультрафіолетовим світлом (рис. 2.1, в).

Світло, яке проходить через прозорі ділянки фотошаблона, впливає на фоторезист так, що засвітлені ділянки його полімеризуються і стають нерозчинними в проявнику. Потім пластин и з фоторезистом піддають спеціальній обробці, в результаті якої вилучається лак з тих ділянок, на які не діяло ультрафіолетове випромінювання. Решта ді­лянок кремнієвої пластини, які покриті двооксидом кремнію, захищені полімеризованою плівкою фоторезисту. Якщо тепер діяти на плас­тину плавиковою кислотою, яка розчинює двооксид кремнію, то оксид­на плівка буде видалена саме з тих місць, де потрібно ввести домішку. Плавикова кислота не діє на полімеризований фоторезист, який, однак, тепер не потрібний і в подальшому змивається спеціальним роз­чинником.

Таким чином, у плівці двооксиду кремнію утворюється сукупність вікон (рис. 2.1, г), а на поверхні пластини-потрібний рисунок, вигравійований у плівці. Ця плівка і являє собою оксидну маску, че­рез яку вводиться легуюча домішка. Домішка може бути введена в монокристал кремнію тільки через відкриті вікна, оскільки шар ДВООК­сиду кремнію SіО₂ добре затримує дифундуючі речовини.

Через утворені вікна дифундують із газової фази домішки n-типу, і проникаючи вглиб кристала, утворюють n-острівці. Задовільна швидкість дифузії буває при температурі порядку 1000-1200 ^ОС. Оскільки провідність кристала p-типу, то між ним і острівцями утворюються p-n-переходи (рис. 2.1, д).

При планарно-дифузійній технології дифузія домішки відбуваєть­ся з поверхні кристала, що зумовлює малу чіткість меж р-n-перехо­дів. При цьому домішка розподіляється нерівномірно по товщині ос­нови: концентрація на поверхні більша, ніж у глибині. Недостатня чіткість p -n-переходів знижує якість напівпровідникових приладів.

Вказаний недолік значною мірою усувається за допомогою планарно­-епітаксійної технології.

Планарно-епітаксійна технологія дозволяє нарощувати тонкий напівпровідниковий шар на напівпровідникову основу з будь-яким ти­пом провідності, при якій кристалічні гратки вирощеного шару є точним продовженням кристалічних граток основи. Склад вирощеного шару епітаксійної плівки може відрізнятись від складу матеріалу ос­нови. Вирощений епітаксійний шар n-типу на підкладці p -типу пока­заний на рис. 2.2, а. Якщо виконати всі технологічні операції описа­ним вище способом по виготовленню оксидної маски за допомогою ме­тоду фотолітографії (див. рис. 2.1, б, в, г)і внести через розкриті вікна p-домішку, то одержимо n-острівці епітаксійного шару і відповідно р-n-переходи між острівцями і p-підкладкою (рис. 2.2, б). Вико­ристання тонкого епітаксійного шару при планарно-епітаксійній тех­нології дозволяє отримати рівномірний розподіл домішки по товщині і достатньо чіткі р-n-переходи.

Одне із важливих досягнень планарної технології є можливість за­хисту p -n-переходу від зовнішнього впливу. Утворені р-n-переходи і відповідні контакти виходять на одну площину підкладки (основи). Тому захисний шар, нанесений на поверхню основи, відіграє не тільки важливу роль в процесі виготовлення планарних структур, забезпе­чуючи проникання домішки в певні ділянки основи, але й запобігає дії зовнішніх факторів на р-n-переходи. r х можна додатково захис­тити ще легкоплавким склом, лаком, запресувати в пластмасу і т. п. Стало можливим автоматизувати найбільш Трудомісткі процеси виготовлення напівпровідникових приладів - складання і герметиза­цію.

Рис. 2.2

Процес фотолітографії у планарній технології дає змогу одержува­ти в кристалі напівпровідника області і р-n-переходи з лінійними розмірами не тільки в десятки, але й одиниці мікрометрів, що суттєво розширило частотний діапазон напівпровідникових приладів. По­чали швидко розвиватись прилади із структурою метал–діелектрик–напівпровідник - МДН (МОН)-структури.

Однак найголовніше досягнення планарної технології полягає в тому, що вона дозволила одночасно в єдиному технологічному циклі виготовляти на одному кристалі велику кількість p-n-переходів і з’єднань між ними, а отже, і напівпровідникових приладів, об’єднаних в єдину інтегральну мікросхему. Саме тому планарну технологію, яка відкрила дорогу новому напряму в напівпровідниковій техніці - мікроелектроніці, розглядають як другу революцію в електроніці.

Створення великих і надвеликих інтегральних мікросхем (BІС і HВІС) - в центрі уваги сучасної мікроелектроніки і вимагає розвит­ку нових технологічних методів, які б дозволили різко підвищити ступінь інтеграції і швидкодію HBІС. Проте оксидні маски, які створені методом фотолітографії, обмежені мінімальними розмірами еле­ментів у зв'язку з явищем дифракції світла на елементах рисунка. Мінімальний розмір елементів становить приблизно 1-2 мкм.

Подальше збільшення ступеня інтеграції компонентів мікросхем вимагає створення елементів з розмірами в десяті частки мікрометра. Для цього розроблено нові методи мікролітографії: електронний, рентгенівський та іонний. Найпоширеніша у виробництві сучасних мікросхем разом з фотолітографією електронна літографія.

Суть електронної літографії полягає в тому, що маска з потрібним рисунком створюється в процесі засвічування електронним потоком спеціального шару, який чутливий до електронів. Такий шар нази­вають електронним резистом. Дифракція електронів не е обмежуючим фактором у випадку використання електронних зондів з енергією електронів в десятки кіловольт. Практична межа роздільної здатності обробки визначається розсіюванням електронів в резисті і стано­вить 0,2 мкм.

Електронний резист засвічується за точно визначеним рисунком або з допомогою тонкосфокусованих пучків електронів, які відхиля­ються електричними і магнітними полями за заданою програмою з до­помогою ЕОМ або в результаті одночасного переносу зображення ри­сунка за шаблонами маски. Перший спосіб засвітки здійснюють пристрої, які називаються генераторами зображення, а другий - проек­тори.

Пристрої електронної літографії являють собою складний комплекс обладнання, до якого входять електронно-оптична система, джерело електронів і елементи, які формують електричні або магнітні поля для керування рухом електронів; система завантаження-розванта­ження пластин; координатний стіл з прецизійним переміщенням; ЕОМ або мікропроцесор, який керує роботою всіх систем; система ва­куумного забезпечення, джерело стабілізованого живлення і різнома­нітні контрольні системи.

Дуже часто пристрої електронної літографії використовуються в змішаних процесах, коли велика частина операцій проводиться мето­дом фотолітографії, а найбільш відповідальні ділянки обробляються електронним променем. При цьому досягається висока точність і особ­лива роздільна здатність обробки.

Читайте також:

1. БІПОЛЯРНІ ТРАНЗНСТОРИ
2. Підготовчі та передпольові роботи, складання проекту і кошторису
3. Польові записи результатів спостережень за групою особин виду чи за популяцією
4. Польові роботи
5. Польові роботи
6. Польові транзистори з ізольованим затвором
7. Польові транзистори з керуючим переходом
8. Розрізняють спостереження включені і невключені, відкриті та інкогніто, вільні та стандартизовані, систематичні й випадкові, польові й лабораторні.

Переглядів: 1515