Физические основы микро- и наноэлектроники

24. (ШЮОТ). Какими носителями заряда, основными или неосновными, обусловлен в биполярных транзисторах обратный ток коллектора?

Ответы:

1)основными носителями заряда в области базы;

2)неосновными носителями заряда, имеющимися в области базы и

âобласти коллектора;

3)основными носителями заряда в области коллектора;

4)правильного ответа нет.

25.(ХЯНП). Укажите правильные ответы, объясняющие природу коллекторного тока в биполярных диффузионных транзисторах:

1) в диффузионном n-p-n-транзисторе дырки, инжектированные из эмиттера в базу, увлекаются электрическим полем в базе и через коллекторный p-n-переход уходят во внешнюю цепь;

2) в диффузионном n-p-n-транзисторе электроны при прямом смещении эмиттерного n-p-перехода инжектируются в базу, что приводит

êувеличению в ней вблизи перехода концентрации неосновных носите-

лей заряда. Вследствие возникшего градиента концентрации dn/dx электроны диффундируют к обратно смещенному коллекторному p-n-перехо- ду, захватываются им и перебрасываются во внешнюю цепь;

3) в диффузионном p-n-p-транзисторе электроны, инжектированные из эмиттера в базу, дрейфуют в электрическом поле к коллектору, который находится под обратным напряжением, и свободно уходят во внешнюю цепь;

4) в диффузионном p-n-p-транзисторе при включении p-n-перехода в прямом направлении высота потенциального барьера для основных носителей в эмиттерной области (дырок) понижается на величину прямого напряжения qV, вследствие чего из p-области в базу (n-область) перетекает дополнительное количество дырок, которые там будут неосновными носителями. Инжектированные таким образом дырки за счет диффузии перемещаются по базе к обратно смещенному коллекторному n-p-перехо- ду, в котором отсутствует потенциальный барьер для неосновных носителей заряда. Дырки подхватываются электрическим полем коллекторного n-p-перехода и через омический контакт выталкиваются во внешнюю цепь.

26.(РГТК). Как зависит обратный ток коллектора Iê0 от температуры T? Укажите номер правильного рисунка.

171

27.(ОЮТБ). Укажите причины, объясняющие малую толщину базы

èнизкую концентрацию в ней основных носителей заряда для диффузионных транзисторов:

1) при уменьшении толщины базы снижается количество носителей заряда, рекомбинирующих в ней при диффузии к коллектору;

2) толщина базы определяется шириной областей эмиттерного и коллекторного p-n-переходов и поэтому зависит только от концентраций в них основных носителей заряда;

3) снижение в базе концентрации основных носителей заряда уменьшает рекомбинационные потери носителей, инжектированных эмиттерным p-n-переходом, что повышает коллекторный ток;

4) малая концентрация основных носителей заряда в базе соответствует ее большому электрическому сопротивлению, что обусловливает меньшее электрическое взаимодействие эмиттера и коллектора;

5) выбор материала базы с пониженной концентрацией основных носителей заряда позволяет повысить эффективность эмиттера.

28.(Н9РП). Укажите номер графика распределения потенциалов в бездрейфовом транзисторе типа p-n-p в активном режиме.

29.(ЛШЭК). Что характеризует эффективность коллектора в транзисторе типа p-n-p ?

Ответы:

1) увеличение дырочной составляющей коллекторного тока по отношению ко всему току;

2) пробивная прочность коллектора; 3) увеличение тока коллектора из-за электронной составляющей и

лавинного умножения; 4) обратный ток коллектора.

30.(ОТЭМ). Что показывает эффективность эмиттера?

Ответы:

1)степень насыщенности эмиттера примесью;

2)долю тока, создаваемого вводимыми в базу неосновными носителями заряда, в общем токе эмиттера;

3)как велика доля вводимых в базу неосновных носителей в сравнении с неосновными носителями в коллекторе;

172

4) долю дырочной составляющей коллекторного тока, обусловленную током эмиттера.

31. (Ф1КП). Что показывает коэффициент переноса? Ответы:

1)долю неосновных носителей, захваченных коллекторным переходом, в общем количестве неосновных носителей, инжектированных в базу эмиттером;

2)долю неосновных носителей, захваченных коллекторным переходом, в общем количестве носителей, движущихся через коллекторный переход;

3)долю основных носителей в общем количестве носителей, имеющихся в базе;

4)долю основных носителей в общем количестве носителей, рекомбинирующих в базе.

32. (ДФТЭ). Что больше, полный ток эмиттера или ток инжекции неосновных носителей из эмиттера в базу?

Ответы:

1)ток инжекции больше;

2)ток эмиттера больше;

3)оба тока равны.

33. (ФЯКП). Как математически определяется коэффициент переноса? Укажите номер формулы:

173

2)потому что коллекторный p-n-переход открыт положительным напряжением;

3)потому что изменение тока базы составляет малую часть изменения тока эмиттера, определяющего приращение коллекторного тока.

36. (ОХЭФ). Может ли быть эффективность коллектора больше единицы?

Ответы:

1)не может;

2)может за счет лавинного умножения в коллекторном переходе;

3)может за счет большой площади коллекторного перехода;

4)может при малых коллекторных напряжениях за счет малой высоты потенциального барьера коллекторного перехода.

37. (УЯЭЭ). Как добиться, чтобы эффективность эмиттера была возможно большей?

Ответы:

1)сделать удельное сопротивление эмиттера много меньшим удельного сопротивления базы;

2)увеличить площадь эмиттерного перехода;

3)уменьшить ширину базы;

4)увеличить удельное сопротивление базы в сравнении с удельным сопротивлением эмиттера.

38.(ЖНАЭ). В какой из областей транзистора больше атомов примеси, в области базы или в области эмиттера?

Ответы:

1) в области базы;

2) в области эмиттера;

3) равное количество в обеих частях.

39.(ГКБС). Почему концентрация примесей в базе намного меньше концентрации примеси в эмиттере?

Ответы:

1) чтобы увеличить эффективность эмиттера;

2) чтобы увеличить сопротивление базы;

3) чтобы увеличить постоянную времени эмиттерной и коллекторной емкостей;

4) чтобы уменьшить вероятность рекомбинации основных носителей

âáàçå.

40.(ЕЯКП). Может ли быть коэффициент передачи тока эмиттера больше единицы и почему?

Ответы:

1) может из-за умножения тока неосновных носителей в эмиттерном переходе;

2) может из-за лавинного умножения в коллекторном переходе; 3) не может быть больше единицы, так как часть неосновных носите-

лей рекомбинирует в базе.

174

41.(ЦМИЗ). Чем объяснить изменение коэффициента передачи тока эмиттера (или базы) при изменении коллекторного напряжения?

Ответы:

1) увеличением инжекции носителей в базу;

2) уменьшением противотока носителей из коллектора в базу; 3) изменением в основном ширины коллекторного перехода и соот-

ветственно изменением толщины базы.

42.(ДФКН). Чем ограничены значения коллекторного напряжения? Ответы:

1) величина коллекторного напряжения ограничивается пробоем кол-

лекторного перехода;

2)коэффициент переноса становится слишком большим;

3)ширина коллекторного перехода в области коллектора становится слишком большой;

4)коэффициент обратной связи достигает предельно допустимой величины.

43. (БРТК). Будет ли в цепи коллектора транзистора в схеме с общей

базой протекать ток, если Iý = 0, à Vêá < 0 ?

Ответы:

1)не будет из-за отсутствия инжекции дырок в базу;

2)будет из-за наличия тока неосновных носителей базы и коллектора через коллекторный переход;

3)ток коллектора будет определяться инжекцией носителей из коллектора в базу;

4)ток коллектора будет определяться инжекцией носителей из базы

âколлектор.

44. (ФЮКЗ). Когда ток в цепи коллектора может быть равен нулю при включении транзистора типа p-n-p по схеме с общей базой и с эмиттерным переходом, смещенным в прямом направлении?

Ответы:

1)ïðè Vêá = 0 и отсутствии тока основных носителей через коллек-

торный переход;

2)ïðè Vêá > 0 вследствие компенсации в коллекторном переходе токов основных и неосновных носителей заряда;

3)ïðè Vêá = 0 и отсутствии тока неосновных носителей;

4)ïðè Vêá < 0 вследствие увеличения высоты потенциального барьера перехода коллектор-база.

175

Глава 9. Поверхностные явления в полупроводниках

§ 9.1. Поверхностные состояния

Образование поверхности любого кристаллического вещества неизбежно сопровождается разрывом химических связей между атомами в кристаллической решетке и, следовательно, нарушением периодичности потенциального поля U(x), представление о котором рассматривалось в главе 1.

Известно, что нарушения периодичности потенциала, вызванные дефектами в объеме кристаллического полупроводника (примесные атомы

âузлах решетки, вакансии и др.), обусловливают создание разрешенных энергетических уровней в запрещенной зоне. Тогда поверхность в целом представляет собой дефект, который объясняет возникновение разрешен-

ных энергетических уровней в запрещенной зоне поверхностного слоя полупроводника (плоскость x = 0). Эти уровни называются поверхностными

уровнями, которым соответствуют поверхностные состояния с концентрацией, равной плотности поверхностных атомов (≈ 1015 ñì–2 ).

Существование электронных состояний, обусловленных нарушением периодичности потенциала на поверхности полупроводников, показал

â1932 г. советский физик-теоретик И.Е. Тамм.

Óатомов, расположенных на поверхности четырехвалентного полупроводника (германий, кремний), одна валентная связь не укомплектована электроном. На рис. 9.1 изображена плоская модель решетки германия, где плоскость ÀÀ представляет поверхность полупроводника. Каждый атом в объеме связан с четырьмя ближайшими соседями ковалентными связями, в которых участвуют четыре пары обобществленных валентных электронов. У атомов на поверхности ÀÀ одна валентная связь оказывается разорванной, а электронная пара — неукомплектованной. Создание устойчивой восьмиэлектронной конфигурации может быть связано с переходом электрона от атомов из более глубоких слоев (см. рис. 9.1).

зВЫНУПФОВНЪУ‚‡ММ˚В Т‚flБЛ

A A

Рис. 9.1. Образование поверхностных состояний Тамма

176

Таким образом, поверхностные атомы ведут себя как акцепторы, которым в запрещенной зоне на поверхности соответствует акцепторный поверхностный уровень Ea . Действительно, в 1959 г. на германии n-типа был экспериментально обнаружен поверхностный слой ярко выраженного p-типа проводимости. Электроны, захваченные на эти уровни, закрепляются в первом от поверхности атомном слое (рис. 9.2,à). В валентной зоне вблизи плоскости x = 0 возникают дырки, что соответствует дыроч-

ной проводимости поверхностного слоя полупроводника.

Рис. 9.2. Поверхностные состояния в полупроводнике:

à— показан один тип поверхностного акцепторного уровня Ea

ñплотностью NSS ; á — экспериментальная зависимость плотности поверхностных состояний NSS

от их положения в запрещенной зоне

177

178

у поверхности полупроводника под действием электрического поля, созданного поверхностными зарядами. Зонная энергетическая диаграмма для вышеописанного случая нейтрализации заряда в акцепторных поверхностных состояниях донорного полупроводника показана на рис. 9.4,à.

Рис. 9.4. Изгиб зон у поверхности полупроводника при наличии на поверхности заряженных состояний акцепторного типа (à), донорного типа (á)

Положительный заряд в донорных поверхностных состояниях уравновешивается, т.е. компенсируется отрицательным зарядом в приповерхностной области полупроводника n-òèïà (ðèñ. 9.4,á) зарядом основных носителей (электронов), которые подтягиваются к поверхности из объема. Дырки (неосновные носители заряда) отталкиваются в объем.

Количество носителей заряда, необходимых для нейтрализации заряда в поверхностных состояниях, определяет ширину области приповерхностного заряда (ОПЗ), которая называется дебаевской длиной экранирования LD . Дебаевская длина LD — это расстояние, на которое электрическое поле, связанное с зарядом в поверхностных состояниях, проникает в полупроводник. На расстоянии LD потенциал, соответствующий данному полю, уменьшается в e ðàç.

Таким образом, приповерхностный слой полупроводника является областью пространственного заряда, экранирующей объем полупроводника от поля поверхностного заряда, причем экранировка осуществляется за счет того, что равновесные концентрации электронов и дырок в ОПЗ отличаются от объемных. Это приводит к появлению потенциального барьера в приповерхностной области полупроводника. Его высота и знак характеризуются поверхностным потенциалом ϕS, который однозначно

связан с величиной и знаком поверхностного заряда. Длину экранирования Дебая можно найти при интегрировании уравнения Пуассона (8.7) для соответствующих рассматриваемому случаю граничных условий:

179

— для полупроводника n-òèïà

Из выражений (9.1) и (9.2) видно, что длина экранирования увеличи- вается при уменьшении концентрации свободных носителей заряда. Это обусловлено тем, что для экранировки поверхностного заряда необходимое число свободных носителей заряда может быть собрано из слоя боль-

шей толщины. В полупроводниках величина LD изменяется в интервале 10–6–10–4 ñì.

§ 9.3. Заряд в приповерхностной области полупроводника

Заряд в приповерхностной области определяется величиной и знаком

поверхностного потенциала, за который можно принять величину ϕS, численно равную изгибу зон, т.е. ϕS = −qVS (см. рис. 9.4). Изгиб зон вверх соответствует отрицательным значениям ϕS , вниз — положительным.

В полупроводнике n-типа изгиб зон вниз (ϕS > 0) является следствием

подтягивания основных носителей заряда в ОПЗ (см. рис. 9.4,á), при этом увеличение ϕS сопровождается ростом концентрации электронов nS â ïðè-

поверхностной области. Отрицательный заряд в ОПЗ (QS), равный в этом случае qnS, возрастает с ростом повер-

180