Поверхность полупроводника, Поверхностные и контактные явления, страница 7

Данный тип транзистора называется биполярным, так как в процессе участвуют оба типа носителей – дырки из эмиттера и электроны из базы. Основными характеристиками биполярных транзисторов является коэффициент усиления и быстродействие. Можно показать, что чем больше коэффициент усиления, тем больше время установления вышеописанной квази-стационарной ситуации, то есть чем больше коэффициент усиления, тем хуже быстродействие биполярного транзистора. Современные транзисторы могут усиливать сигналы с частотами в десятки гигаГерц. 

Эффект поля. Полевые транзисторы.

Первые эксперименты по эффекту поля.

Первые эксперименты Юлиуса Лилиенфельда в 1925 году. Модуляция проводимости. Простые оценки. Тогда умели получать германий или кремний с остаточной концентрацией примеси (например, доноров) до 10¹⁸ см^-3. Максимальная напряженность электрического поля (вблизи границы) не должна превышать порога ионизации – примерно 2-3 на 10⁵ В/см для кремния или германия. Тогда из 7.3 найдем величину максимального изгиба зон и размер ОПЗ.

При наших параметрах, размер ОПЗ составит 0.02 микрона (2*10^-6 см). В 1925 году умели изготавливать пластинки полупроводника с минимальной толщиной 50 микрон. Тогда, относительное изменение сопротивления пластинки при обеднении носителями слоя ОПЗ составит примерно 0.04%. Но экспериментально измеряемая модуляция сопротивления была в тысячи раз меньше. Виноваты поверхностные состояния. Если почти каждый атом поверхности даст поверхностное состояние, их концентрация будет примерно 10¹⁵ см^-2. Поверхностная концентрация заряженных доноров в ОПЗ равна , и в нашем случае (если бы не было поверхностных состояний) составляет 2*10^-12 см^-2. Как видно, это почти на 3 порядка меньше, чем плотность поверхностных состояний. С учетом диэлектрической проницаемости, заряд ОПЗ практически на 4 порядка меньше поверхностного заряда на границе полупроводника. То есть в полупроводнике с реальной поверхностью (если плотность поверхностных состояний велика), изгиб зон вызван в основном потенциалом заряженных поверхностных состояний, и значительно изменить его разумными полями невозможно. Уровень Ферми жестко закреплен на поверхности (это явление называется пиннинг уровня Ферми).

Полевой транзистор с p-n переходом.

Идея Уильяма Шокли, 1952 год заключалась в том, чтобы уйти от поверхности. Физический принцип понятен из рисунка 8.8.

Рисунок 8.8. Полевой транзистор с p-n переходом, рабочая конструкция с n-каналом.

Три контакта к транзистору называются исток (source), сток (drain), а между ними затвор (gate). Прикладывая отрицательный потенциал к затвору можно увеличивать толщину инверсного слоя и толщину обедненного слоя, тем самым уменьшая толщину канала с n-типом проводимости. При некотором смещении можно добиться полного перекрытия канала. Если подложка изолирующая (диэлектрик) или полу-изолирующая (собственный полупроводник с удельным сопротивлением на много порядков больше удельного сопротивления легированного n-канала), то, сопротивление исток-сток очень велико. Транзистор закрыт. Это позволяет использовать полевые транзисторы как ключи в некоторых схемах. Так называемые тонкопленочные транзисторы (или ТПТ - полевые транзисторы на структурах стекло/тонкая пленка аморфного либо поликристаллического кремния) используются в качестве управляющих элементов в активных матрицах жидкокристаллических дисплеев.