§2.4 Эффект модуляции толщины базы
Явление изменения толщины базы при изменении напряжения на коллекторном переходе называется эффектом модуляции толщины базы или эффектом Эрли /Ирли/ /Early/.
Следствия эффекта модуляции толщины базы:
Статический коэффициент передачи тока эмиттера 
будет зависеть от напряжения на коллекторном переходе. 
Ток коллектора будет увеличиваться с ростом напряжения на коллекторном переходе. 
С ростом напряжения на коллекторном переходе будет увеличиваться быстродействие транзистора
Будет наблюдаться влияние напряжения на коллекторном переходе 
на входную цепь транзистора. Это явление называется внутренней отрицательной обратной связью по напряжению.
при большем напряжении .
Чтобы ток остался постоянным, не должен меняться градиент концентрации, т.е. график параллелен начальному.
-коэффициент обратной связи по напряжению
; 
§2.5 Схемы включения и режимы работы транзисторов
Явление изменения толщины базы при изменении напряжения на коллекторном переходе называется эффектом модуляции толщины базы или эффектом Эрли /Ирли/ /Early/.
Следствия эффекта модуляции толщины базы:
Статический коэффициент передачи тока эмиттера
будет зависеть от напряжения на коллекторном переходе. Ток коллектора будет увеличиваться с ростом напряжения на коллекторном переходе.
С ростом напряжения на коллекторном переходе будет увеличиваться быстродействие транзистора
Будет наблюдаться влияние напряжения на коллекторном переходе
на входную цепь транзистора. Это явление называется внутренней отрицательной обратной связью по напряжению. при большем напряжении .Чтобы ток остался постоянным, не должен меняться градиент концентрации, т.е. график параллелен начальному.
-коэффициент обратной связи по напряжению ; §2.5 Схемы включения и режимы работы транзисторов
| (1) схема с общей базой | (2) схема с общим эмиттером | (3) схема с общим коллектором |
  |   |  |
Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:
Нормальный активный режим /НАР/ - Э-переход смещён в прямом направлении, К-переход смещён в обратном направлении
Режим насыщения – Э- и К-переходы смещены в прямом направлении
Режим отсечки - Э- и К-переходы смещены в обратном направлении
Инверсный активный режим /ИАР/ - Э-переход смещён в обратном направлении, К-переход смещён в прямом направлении.
НАР используется в усилительных устройствах; РН, РО используются в цифровых и импульсных устройствах.
Такие схемы называются ключевыми (0/1).
ИАР
Аналоговый ключ будет лучше при применении ИАР.
§2.6 Статические характеристики биполярного транзистора
Входная характеристика, выходная характеристика – основные характеристики.
Входная характеристика – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении.
Выходная характеристика – зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.
Характеристики, снятые при разных значениях параметра, образуют…
Характеристики транзитивно зависят от схемы включения.
[1] Схема с общей базой
; 
- входная характеристика
; 
- выходная характеристикаСмещение характеристики при изменении напряжения обусловлено эффектом Эрли.
С ростом
входные характеристики смещаются влево с ТКН: -2мВ/КВыходные характеристики в схеме с общей базой термостабильны.
[
2] Схема с общим эмиттером
; 
- входная характеристика
; 
- выходная характеристика
- сдвиг из-за эффекта Эрли
; - статический коэффициент передачи тока базы
; 
; 
| | 0,9 | 0,99 | 0,999 |
 | 9 | 99 | 999 |
С ростом
входные характеристики смещаются влево с ТКН -2мВ/КВыходные характеристики существенно смещаются вверх.
§2.7 Полевые транзисторы с управляющим входом
Полевые/канальные, униполярные/ транзисторы – полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции тонкого полупроводникового канала поперечным электрическим полем.
В зависимости от типа проводимости полевой транзистор может быть с p-каналом и n-каналом.
Существует 2 типа полевых транзисторов:
Полевой транзистор с управляющим переходом
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
Полевой транзистор с управляющим переходом Шотки
Полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник /МДП-транзистор/. Чаще всего в качестве диэлектрика используются оксиды
Частный случай – металл-оксид-полупроводник /МОП-транзистор/.Упрощённая конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом:
  |
|
Берётся пластина слаболегированного полупроводника n-типа. На противоположных концах – металлизация /омические контакты/. Методом локальной диффузии формируются p-области на верхних и нижних гранях. На p-областях тоже делается омический контакт. Верхние и нижние грани соединяются.
Если между торцами подключить источник напряжения, то буде протекать ток по каналу между обеднёнными слоями.
Напряжение затвор-исток
, при котором ток стока становится равным нулю, называют напряжением отсечки /один из основных параметров полевого транзистора/. На практике 
определяют при малом значении тока сток-исток.§2.8 Основные характеристики полевого транзистора
Выходная характеристика, передаточная характеристика – основные характеристики.
Выходная/стоковая/ характеристика – зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток.
Передаточная/стоко-затворная/ характеристика – зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток.
[1] Выходная характеристика
; 
РН – режим насыщения
ОР – омический режим
С ростом
изменяется вид канала:
Эффект увеличения длины перекрытой части канала с ростом напряжения СИ называется эффектом модуляции длины канала.
РН – этот область выходных характеристик, где рост тока практически прекращается.
[2] Передаточная характеристика
; 
- термостабильная точка
- начальный ток стока /при 
/При
близком к 0 ВАХ линейнаПри
близком к ВАХ квадратичнаС ростом температуры понижается высота потенциального барьера, понижается подвижность носителей в канале.
В нормальном режиме работы в цепи затвора протекает ток обратно смещённого p-n-перехода /ток чрезвычайно мал/
поэтотму, одним из основных достоинств полевого транзистора является большое входное сопротивление.Полевой транзистор – нелинейный транзистор.
Основные малосигнальные параметры полевого транзистора:
Крутизна
Дифференциальное сопротивление сток-исток
Коэффициент усиления
| d
|   | n-канальный | ||||||||||||
 | p-канальный |
Полевые транзисторы с переходом Шотки – нет p-области, грани сразу металлизируются.
Полевые транзисторы с p-n-переходом – на основе Si
Полевые транзисторы с переходом Шотки – на основе GaAs
Полевые транзисторы с переходом Шотки относятся к СВЧ п/п приборам, которые могут работать на частотах 10ГГЦ.
§2.9 Полевые транзисторы МДП-структуры
Существует две разновидности полевых транзисторов МДП-структуры:
С индуцированным каналом – канал в равновесном состоянии отсутствует, и появляются под воздействием внешнего напряжения.
Со встроенным каналом – канал формируется на этапе изготовления транзистора и существует в равновесном состоянии.
Конструкция полевого МДП транзистора с индуцированным каналом.
О
снова – пластина слаболегированного p-полупроводника. Поверхность окисляется. Методом локальной диффузии формируется n-область с высокой степенью легирования.Приложим напряжение на исток-сток.
Подадим отрицательное напряжение на затвор.
возврастает концентрация электронов под затвором увеличивается концентрация электронов приближается, затем превышает концентрацию дырок инверсия типа проводимости. , при котором происходит инверсия типа проводимости/при котором появляется канал/ в приповерхностном слое полупроводника называется пороговым напряжением. Толщина образуемого канала 1
2 нм.Конструктивно МДП-транзистор со встроенным каналом отличается от транзистора с индуцированным каналом тем, что канал формируется на этапе изготовления транзистора путём легирования транзистора.
Х
арактеристики статических МДП-транзисторов.
МДП-транзистор со встроенным каналом – правая характеристика.
МДП-транзистор с индуцированным каналом – левая характеристика.
| D
|   | n-канальный | ||||||
 | p-канальный |
§2.10 Тиристоры
Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p-n-переходами, имеющие S-образную вольт-амперную характеристику.
При изготовлении тиристора берут пластину полупроводника с параметрами области n1 и методом двухсторонней диффузии формируют области p1 и p2. Затем методом односторонней диффузии формируют область n2. При такой технологии изготовления наименее легированной будет область n1, а наиболее легированной - область n2.
Контакт к внешнему p-слою называют анодом, а к внешнему n-слою - катодом. Внутренние области р- и n-типа называют базами. Выводы от баз образуют управляющие электроды УЭ1 и УЭ2.
В зависимости от числа выводов тиристоры делят на:
диодные /динисторы/, имеющие два вывода - от анода и катода
триодные /тиристоры/, имеющие выводы от анода, катода и одной из баз
тетродные, имеющие выводы от всех областей.
В начале своего развития тиристоры претендовали на роль многофункционального прибора. На них пытались делать триггеры, счётчики, мультивибраторы и другие самые разнообразные электронные устройства. Однако постепенно выяснилось, что по большинству направлений они не выдерживают конкуренции с другими полупроводниковыми приборами. Единственная область, в которой тиристоры продемонстрировали высокую конкурентоспособность - это мощные токовые ключи различного назначения, в качестве которых они сейчас успешно и широко используются.
При использовании в качестве токового ключа тиристор включается последовательно с источником питания и нагрузкой /рис. 1/. В процессе работы тиристор может находиться в одном из двух возможных состояний. В одном их них тиристор выключен или закрыт. В этом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и ток в нагрузке практически равен нулю. Во втором состоянии тиристор включен или открыт. В этом состоянии тиристор имеет малое сопротивление и ток в цепи определяется сопротивлением нагрузки.
Рассмотрим физические процессы в тиристоре, для чего представим его в виде двух биполярных транзисторов (рис. 2).
Н
а физические процессы в тиристоре основное влияние оказывают два фактора: зависимость коэффициента передачи по току от тока эмиттера и лавинное умножение носителей в обеднённом слое коллекторного перехода.Если на анод подано отрицательное напряжение, то центральный переход П2 будет смещён в прямом направлении, а крайние переходы П1 и П3 - в обратном. В этом случае полярность напряжений на переходах соответствует режиму отсечки транзисторов VT1, VT2 и через тиристор будет протекать обратный ток двух последовательно включенных переходов П1 и П3.
При положительном напряжении на аноде крайние переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а центральный переход П2 - в обратном. В этом случае полярность напряжений на переходах соответствует активному режиму работы транзисторов VT1 и VT2. Как видно из рис. 2, выходной ток транзистора VT1 является входным током транзистора VT2, а выходной ток транзистора VT2 - водным током транзистора VT1, т. е. транзисторы VT1 и VT2 образуют двухкаскадный усилитель, выход которого соединён со входом. В такой схеме возможен регенеративный процесс лавинообразного нарастания тока.
При небольших положительных напряжениях на аноде через коллекторные переходы будут протекать обратные токи, которые будут усилены транзисторами VT1 и VT2. Но, так как эти токи малы, а при токе эмиттера Iэ0 коэффициент передачи тока эмиттера 0, то в тиристоре установится ток, ненамного превышающий Iк0.
По мере роста напряжения на аноде ток тиристора будет возрастать за счёт лавинного умножения носителей заряда в переходе П2. Это само по себе приводит к увеличению тока тиристора. Но увеличение тока тиристора приводит к возрастанию коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2, что влечёт ещё большее увеличение тока тиристора.
При некотором токе коэффициент усиления по петле, образованной транзисторами VT1 и VT2 превысит единицу. При этом, если ток не ограничен, то в тиристоре возникает регенеративный процесс лавинообразного нарастания тока, заканчивающийся насыщением транзисторов VT1 и VT2, когда все их переходы будут смещены в прямом направлении. Такой процесс будет происходить в электронном ключе на транзисторе. Если ток ограничен, что имеет место при питании тиристора от источника тока при снятии его вольт-амперной характеристики, то с ростом тока через тиристор напряжение на нём будет падать (рис. 3).
Если в цепи управляющего перехода протекает некоторый ток, то это приводит к увеличению тока тиристора и возрастанию коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2, что приводит к уменьшению напряжения, при котором начинается регенеративный процесс включения тиристора(рис. 3). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода можно управлять напряжением включения тиристора.
Вольт-амперная характеристика тиристора имеет пять характерных участков (рис. 3).
Участок 0-1. Напряжение на аноде положительно, ток незначителен, то есть тиристор закрыт. Этот участок вольт-амперной характеристики соответствует режиму прямого запирания.
Участок 1-2. В точках 1 и 2 дифференциальное сопротивление тиристора равно нулю, а между ними - отрицательно. Это участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением тиристора. Координаты точек 1 и 2 являются параметрами тиристора:
Uвкл - напряжение включения;
Iвкл - ток включения;
Iуд(Iвыкл) - ток удержания (ток выключения);
Uуд(Uвыкл)- напряжение удержания (напряжение выключения).
У
часток 2-3. На этом участке тиристор открыт и ток через него ограничен сопротивлением внешней цепи. Участок соответствует режиму прямой проводимости. Участок 0-4. На этом участке напряжение на аноде отрицательно. Ток мал. Тиристор закрыт. Участок соответствует режиму обратного запирания.
Участок 4-5. На этом участке наблюдается резкое увеличение тока тиристора при увеличении отрицательного напряжения на аноде. Участок 4-5 соответствует режиму обратного пробоя.
Д
ля выключения тиристора при его использовании в качестве токового ключа необходимо каким-либо способом уменьшить ток через тиристор до значения, меньшего тока удержания. Выключить тиристор, подавая какие-либо воздействия на управляющий электрод, в большинстве типов тиристоров невозможно. Однако существуют тиристоры, которые могут быть выключены по управляющему электроду импульсом тока обратного знака. Такие тиристоры называют запираемыми по управляющему электроду.Если в качестве управляющего используется электрод УЭ1, то тиристор называют управляемым по катоду, если в качестве управляющего используется электрод УЭ2, то тиристор называют управляемым по аноду.
Рассмотренные тиристоры при отрицательном напряжении на аноде закрыты. Такие тиристоры называют запираемыми в обратном направлении. Однако существуют тиристоры, проводящие в обратном направлении, которые как бы зашунтированы диодом.
Выпускаются тиристоры, имеющие симметричную вольт-амперную характеристику для обеих полярностей напряжения на аноде. Такие тиристоры называют симисторами.
Условные графические изображения тиристоров на схемах приведены на рис. 4.
Тема 3 – Основы микроэлектроники
§3.1 Основные понятия микроэлектроники
Микроэлектроника - это область науки и техники, связанная с созданием и применением интегральных микросхем /ИМС/.
Интегральная микросхема /ИМС/ – совокупность взаимосвязанных транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п., изготовленных в едином технологическом цикле, конструктивно оформленных как единое целое и выполняющих определённую функцию преобразования сигнала.
Под элементами ИМС будем понимать входящие в её состав транзисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.д., которые не могут быть выделены из неё в виде самостоятельных изделий.
Компоненты ИМС - транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и т.д., которые могут быть отделены от ИМС и заменены на другие.
ИМС по конструктивно-технологическим признакам делятся на:
Монолитные – все элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки
Плёночные – все элементы выполнены в виде разного рода плёнок на поверхности диэлектрической подложки /пассивные интегральные схемы/
Гибридные – представляют собой комбинация плёночных пассивных элементов и дискретных активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты называют навесными. Навесным компонентом может быть монолитная ИМС.
Совмещённые - активные элементы выполняют в приповерхностном слое полупроводниковой подложки, а пассивные в виде плёнок, на предварительно изолированной поверхности того же кристалла.
Монолитные ИМС по типу использования активных элементов делятся на:
Биполярные схемы (на биполярных транзисторах)
МОП (металл-окись-полупроводник)
Сложность монолитных ИМС принято характеризовать количеством элементов на кристалле
и степенью интеграции 
.  |  |  |
 |  | |
 |  |
Уровень технологии ИМС характеризует плотность упаковки, под которой понимают количество элементов на единицу площади кристаллов.
Гибридные плёночные ИМС делятся на:
Толстоплёночные - плёнки на поверхности диэлектрика формируются нанесением через трафарет разного рода паст
Тонкоплёночные - плёнки формируют путём напыления соответствующего материала в вакууме. Для создания рисунка используют маски.
И
спользуется “свидетель” – резистор, который подключается к микросхеме и по достижению напряжения процесс заканчивается.Удельное сопротивление плёнок измеряется в /Ом на квадрат/.
По виду обрабатываемого сигнала ИМС делятся на:
Аналоговые
Цифровые
§3.2 Изоляция элементов в монолитных ИМС
Все методы изоляции делятся на:
Изоляция обратно смещённым p-n-переходом
Изоляция диэлектриком
М
етод трёх диффузий. 1 недостаток: диффузия длится очень долго /десятки часов/
Метод разделительной диффузии.
Э
питаксио-технологический процесс выращивания монокристаллов.
Горизонтальная составляющая тока в коллекторе вызывает нагревание /коллектор слабо легирован
большее сопротивление/. Для уменьшения сопротивления делается скрытый n+ слой на дне кармана.Перед тем, как выращивать эпитаксиальный слой, на дне будущих карманов методом локальной диффузии формируется n+ слой, затем проводится эпитаксиальное наращивание.
Это изоляция методом обратно смещённого перехода.
Изопланарная технология – метод прокисления /SiO2/. Это комбинированный метод.
Рассмотрим изоляцию диэлектриком. Одна из распространённых технологий - ЭПИК-процесс.Берется пластина полупроводника n-типа с параметрами коллектора
Затем на этой пластине выращивается эпитаксиальный слой – это будущий скрытый n+ слой
Вытравливаются канавки. Затем вся рельефная структура окисляется
Д
альше – сверху методом напыления наращивается поликристаллический кремний /Si/ толщиной 200…300 мкм. Назначение – чисто механическое удерживание. Встречается керамика, но она дороже.Затем – всё, что ниже Si сошлефовывается/удаляется/ механической обработкой..
Результат…
1 2 3 4 5 6