Концентрацией неосновных

Результирующая концентрация примесей Л^а(л:) — Л^д (л;) в точках металлургических переходов равна нулю. В области базы результирующий профиль имеет точку хт с максимальной избыточной концентрацией акцепторов. За счет градиента концентрации примесей в базе происходит диффузионное смещение дырок в сторону коллекторного и эмиттерного переходов на участках xiK. — Хт и Хт — х/э- В результате этого на участке х^ — хт возникает электрическое поле, ускоряющее неосновные носители, а на участке xm — xjs — тормозящее. При создании транзистора участок базы с тормозящим полем стремятся иметь по возможности малым и действием тормозящего поля пренебрегают. Наличие ускоряющего поля приводит к дрейфу неосновных носителей, который накладывается на их диффузионное смещение в базе транзистора [19].

Рассмотрим назначение противоканальных областей р+-типа, расположенных под изолирующими областями (см. 3.5, д). Известно, что на границе раздела кремний — диоксид кремния существует неподвижный положительный поверхностный заряд. Под влиянием этого заряда дырки отталкиваются в глубь подложки, а электроны из скрытых слоев л+-типа и подложки поступают к границе раздела. Поскольку концентрация акцепторов в подложке очень низкая (не более 1015 см~3), то при отсутствии противоканальной области у поверхности под диоксидом формируется инверсный слой — канал n-типа. Этот канал замыкает коллекторные области соседних транзисторов, что недопустимо. Для предотвращения появления каналов л-типа и создают противоканальные области с повышенной концентрацией акцепторов, при которой для типичных значений плотности положительного поверхностного заряда формирование инверсного слоя исключается, так как концентрация поступивших к поверхности электронов оказывается ниже концентрации дырок.

Рассмотрим процесс создания структуры микросхемы, содержащей транзисторы с индуцированными и встроенными каналами. На подложке с помощью фотолитографии формируют маску из нитрида кремния и ионным внедрением бора с большой дозой (около 1013 см~2) создают противоканальные области Р+-ТИПЭ ( 4.2, а). Окислением через маску Si3N4 получают разделительный слой SiO2 11 ( 4.2, б; нумерация такая же, как на 4.1) и удаляют Si3N4. Границы 12 разделительных слоев // ( 4.2, в) образуют так называемые окна, определяющие места расположения будущих транзисторов. Ионным внедрением бора получают слой 10 с повышенной по отношению к подложке концентрацией акцепторов.

Слаболегированная подложка (Л/„.„ К)15 см-3) обеспечивает малые емкости р-п переходов. Чтобы одновременно не снижалось напряжение смыкания, создается слой 2 с повышенной концентрацией акцепторов, оптимальная толщина которого равна толщине слоев / (xz ж жхо). Большая толщина увеличивает емкости на нижних границах слоев / и боковых границах слоев 4, а меньшая - не обеспечивает приемлемого напряжения смыкания. Тонкий (менее 0,1 мкм) слой 3 /7-типа определяет значение порогового напряжения. Толстые (х0 > > 0,5 мкм) сильнолегированные области 4 дают малые сопротивления истока, стока. Из-за низкой концентрации примесей подложка имеет большое сопротивление г„, что ведет к появлению значительных помех при работе СБИС. Для снижения /-„ используют более сложную структуру, где транзисторы формируют в тонком эпитаксиальном слое р~-гипа, нанесенном на сильнолегированную подложку /;+-типа.

В эпитаксиальном слое сформирована вторая канавка, стенки которой покрыты тонким слоем диоксида 5, заполненная поликремнием 6, выполняющим функцию затвора транзистора и шины X. Ионным легированием создан слой 7, являющийся одной из п+-областей транзистора и одновременно шиной Y. Другой п+ -областью (стоком или истоком) транзистора служит область 4. Канал образуется между слоями 7 и 4 на боковых стенках канавки. Эффективная длина канала — толщина слоя 8 р-типа (порядка 1 мкм) с повышенной по сравнению с нижележащим р~-слоем концентрацией акцепторов. Площадь элемента памяти не более 9 литографических квадратов при С0/Суо ~^ ;> 10, что дает возможность создавать СБИС с информационной емкостью до 4 Мбит.

Элементы двухтактных ПЗС, имеющие асимметричные потенциальные ямы, формируют также ионным легированием части приповерхностной области полупроводниковой подложки ( 11.11). Для этого, например, в подложке р-типа создают области р+-типа с повышенной концентрацией акцепторов, вводя атомы бора. Поскольку практически все атомы бора в рабочем интервале температур ионизированы, то при подаче положительного напряжения на затвор, выталкивающего дырки в подложку, в областях /?+-типа появится нескомпенсированный неподвижный отрицательный заряд ионов, уменьшающий глубину потенциальной ямы для электронов под соответствующей частью затвора.

Если же при введении примесей образуются примесные уровни вблизи «верха» валентной, заполненной зоны, то такие уровни называются акцепторными, а сами примеси акцепторами. На эти уровни могут переходить электроны из валентной зоны, в которой при этом образуются дырки. При ионизации акцепторного атома присоединившийся к нему электрон образует неподвижный отрицательный заряд. Основными носителями тока в этом случае будут дырки. Их концентрация определяется концентрацией акцепторов NA и энергетическим зазором между верхним краем валентной зоны и примесными уровнями AWV Как и для случая донор-ной примеси, при величине AWz одного порядка с КГ практически все акцепторы оказываются ионизированными и рр=Л^л- Из выражения (1.30а) можно определить концентрацию неосновных носителей, которыми в этом случае являются электроны

При низком уровне инжекции в однородно легированной базе с концентрацией акцепторов Агл=А'Б электрическое поле отсутствует. При повышении уровня инжекции в базе возникает поле, ускоряющее электроны от эмиттера к коллектору. Это поле можно определить из следующих соображений. Полная плотность тока дырок Jpx практически равна нулю. Положив в (1.36) Jpx = 0 и учтя условие квазиэлектронейтральности р—п — А/Б = 0 (Л/Б = const) и

На практике часто в полупроводнике присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси, но с разными концентрациями (Ng и Na). Если Ng>Na, то при T—Q К все акцепторные уровни заполняются электронами, перешедшими с донорных уровней, и атомы акцепторов превращаются в отрицательные ионы. При этом образуется такое же число положительных донорных ионов, а число нейтральных атомов доноров уменьшается до Ng—Na. При повышении температуры, именно, эти атомы будут отдавать электроны, обусловливающие электронную проводимость. Поэтому разность Ng—Л;„ следует считать эффективной концентрацией доноров. При Na>Ng получаем полупроводник /7-типа с эффективной концентрацией акцепторов, равной Л'0—Ng. Если Na—Ng, то эффективная концентрация равна нулю, а полупроводник называется компенсированным. Он имеет такую же концентрацию свободных носителей, как и собственный.

изменяются под действием внешнего электрического поля, направленного нормально к поверхности. Это явление называют эффектом поля. В зависимости от направления поля и его напряженности различают три режима приповерхностного слоя: обеднения, инверсии и обогащения. Рассмотрим эффект поля на примере полупроводника р-типа с постоянной концентрацией акцепторов. Предположим сначала, что поверхностный заряд (см. § 1.8) равен нулю. Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то оно вызовет смещение свободных носителей в приповерхностном слое. Здесь появится нескомпенсированньтй объемный заряд, экранирующий остальную часть полупроводника от внешнего поля. В стационарном режиме ток через полупроводник не течет, так как отсутствует замкнутая проводящая электрическая цепь.

ласти — эмиттере значительно больше, чем в другой — базе. Например, в р+-п-переходе р+-область с высокой концентрацией акцепторов служит эмиттером, а п-область с меньшей концентрацией доноров — базой. Если концентрация акцепторов в р-области равна концентрации доноров в n-области, то переход называют симметричным.

При прямом включении дрейфовая составляющая тока пренебрежимо мала по сравнению с диффузионной. Это объясняется низкой концентрацией неосновных носителей заряда и уменьшением результирующей напряженности электрического поля, обусловливающих дрейфовый ток.

При расчете для упрощения пренебрежем равновесной концентрацией неосновных носителей, что соответствует большим прямым напряжениям на p-n-переходе. Тогда

Прежде чем рассматривать явления в полупроводниковых диодах при больших прямых токах, установим понятия об уровне инжекции. Под уровнем инжекции будем понимать соотношение между концентрацией неосновных носителей и концентрацией основных носителей в состоянии равновесия (или, что почти то же самое, концентрацией примесей). Низким уровнем инжекции будем считать такой, при котором концентрация инжектированных неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей в состоянии равновесия, т. е. для полупроводника /г-типа

от напряжения С/кв и определяется только концентрацией неосновных носителей в базе и коллекторе. С увеличением тока эмиттера возрастает и ток' /к- Поскольку в рассмотренной модели принята независимость величины а от тока /э, равные приращения тока /э (/э"— /о' = 1'э —/э •••) вызывают и равные приращения коллекторного тока.

Принцип действия фотодиода базируется на физических процессах, протекающих в облученном переходе, которые рассматривались в § 14-5. В отсутствие светового потока (Ф = 0) в фотодиоде, под действием обратного напряжения, течет обратный ток, значение которого, как известно, определяется концентрацией неосновных носителей в полупроводниках, площадью перехода, физическими процессами в области запирающего слоя и т. д. Все эти вопросы подробно рассмотрены в § 11-3 — при обсуждении вольт-аКшерной характеристики реального полупроводникового диода. Поскольку фотодиод в отсутствие внешнего облучения ничем практически не отличается от полупроводникового диода, все рассмотрение, проведенное в § 11-3, справедливо и для зависимости I = f (U) .фотодиода при условии, что Ф = 0. Эту зависимость для фотодиода часто называют темповой вольт-амперной характеристикой.

будут поступать до тех пор, пока их заряд практически полностью не компенсирует избыточный заряд дырок и не установится состояние, когда Ap(.v) жА/г(х). По мере движения дырок вправо за счет диффузии их избыточная концентрация будет убывать до нуля за счет их рекомбинации с электронами. Аналогично при прямом напряжении электроны будут пересекать ОПЗ справа налево и проходить из л-области за левую границу ОПЗ х= — бр, где также их избыточная концентрация Д«=«р — про уменьшается за счет рекомбинации с дырками. Это явление носит название ин-жекции неосновных носителей заряда и заключается в возникновении по обе стороны ОПЗ квазинейтральных (почти электронейтральных) областей с повышенной концентрацией неосновных носителей заряда.

Отметим также, что диффузионный ток в случае использования вырожденных полупроводников оказывается на несколько порядков меньше тока в обычном р-п переходе. Это объясняется весьма малой концентрацией неосновных носителей из-за увеличения концентрации примесей. На 3.12 показана вольтамперная характеристи-

от напряжения С/кв и определяется только концентрацией неосновных носителей в базе и коллекторе. С увеличением тока эмиттера возрастает и ток' /к- Поскольку в рассмотренной модели принята независимость величины а от тока /э, равные приращения тока /э (/э"— /о' = 1'э —/э •••) вызывают и равные приращения коллекторного тока.

Принцип действия фотодиода базируется на физических процессах, протекающих в облученном переходе, которые рассматривались в § 14-5. В отсутствие светового потока (Ф = 0) в фотодиоде, под действием обратного напряжения, течет обратный ток, значение которого, как известно, определяется концентрацией неосновных носителей в полупроводниках, площадью перехода, физическими процессами в области запирающего слоя и т. д. Все эти вопросы подробно рассмотрены в § 11-3 — при обсуждении вольт-аКшерной характеристики реального полупроводникового диода. Поскольку фотодиод в отсутствие внешнего облучения ничем практически не отличается от полупроводникового диода, все рассмотрение, проведенное в § 11-3, справедливо и для зависимости I = f (U) .фотодиода при условии, что Ф = 0. Эту зависимость для фотодиода часто называют темповой вольт-амперной характеристикой.

Фотодиоды. Принцип действия фотодиодов основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в р-п переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода ( 57, а) показывают, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным.

При прямом включении дрейфовая составляющая тока пренебрежимо мала по сравнению с диффузионной. Это объясняется низкой концентрацией неосновных носителей заряда и уменьшением результирующей напряженности электрического поля, обусловливающих дрейфовый ток.