Транзисторы. 
Электротехника (теория электрических цепей)

Общие сведения. Транзистором называют полупроводниковый прибор, способный усиливать электрическую мощность. По принципу действия транзисторы разделяются на два класса:

• • биполярные транзисторы, неотъемлемой частью которых являются два взаимодействующих р-п-перехода. Термин биполярный подчеркивает, что в работе транзисторов участвуют оба вида носителей электрических зарядов — электроны и дырки, при этом введение (инжекция) основных носителей зарядов в базу сопровождается их переносом (экстракцией) в коллектор, где они становятся основными носителями;
• • униполярные транзисторы, работа которых базируется на использовании носителей только одного типа (электронов или дырок). Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле; процессы инжекции и диффузии практически отсутствуют.

Биполярные транзисторы. Полупроводниковый кристалл биполярного транзистора состоит из трех различных областей с чередующимися типами электропроводности. В зависимости от порядка их расположения различают транзисторы п-р-п p-n-p типов. В п-р-п транзисторах основную роль играют электроны, подвижность которых в два-три раза выше подвижности дырок, поэтому они имеют лучшие характеристики по сравнению с р-п-р транзисторами и находят более широкое применение. Они и рассматриваются в дальнейшем.

Структура транзистора. Биполярные транзисторы содержат два встречно включенных р-и-перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого благодаря весьма малой толщине внутренней р-области. Для улучшения усилительных свойств транзисторы имеют асимметричную структуру (рис. 9.2.1, а): площадь перехода Пу-р гораздо меньше площади перехода р-п₂. Кроме того, слой Пу с меньшей площадью легирован значительно сильнее (содержит больше примесей), чем слой п₂. Асимметрия повлияла и па название крайних слоев. Слой Пу с меньшей площадью называют эмиттером (Э), а слой п₂ с большей площадью — коллектором (К). Внутренний слой называется базой (Б). Соответственно различают эмиттерный (пу-р) и коллекторный (р-п₂) переходы, каждый из которых имеет донную и боковые части. Рабочей областью транзистора является область, расположенная под донной частью слоя щ. Остальная часть структуры транзистора представляет собой пассивные участки, которые можно моделировать резисторами /?_к, R_B, подключенными к рабочим слоям коллектора и базы. На рис. 9.2.1, б показаны:

• • активная часть транзистора в горизонтальном положении (п⁺-р-п);
• • места подключения паразитных резисторов R_]<} R_r;
• • высоколегированный слой п⁺.

Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой шириной базы (порядка 1 мкм) но сравнению с диффузионной длиной, составляющей 5—10 мкм.

Основные режимы работы. В зависимости от полярности прикладываемого к р-н-переходам напряжения различают четыре режима работы биполярного транзистора:

• • режим отсечки, в котором на оба перехода поданы обратные напряжения. В режиме отсечки через оба перехода проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Поэтому можно считать, что между всеми выводами транзистора имеет место обрыв и токи в его внешних цепях равны нулю;
• • режим насыщения, когда на оба перехода поданы прямые напряжения. В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток, что эквивалентно малому сопротивлению. В этом режиме можно считать, что между

Рис. 9.2.1. Структуры биполярного транзистора (а, б) и иллюстрация принципа его работы (в) СО сл всеми выводами транзистора существует короткое замыкание. Как говорят, транзистор «стягивается в точку» и токи, проходящие через него, определяются только сопротивлениями элементов, включенных во внешние цепи транзистора;

• • активный режим, в котором на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Этот режим используется при усилении сигналов, так как обеспечивает минимальные нелинейные искажения;
• • инверсный режим, в котором на эмиттерный переход подается обратное напряжение, а на коллекторный — прямое. Из-за асимметричной структуры транзистора он не находит практического применения.

Работа биполярного транзистора в активном режиме. Для рассмотрения этого режима воспользуемся рис. 9.2.1, в, на котором представлена структура транзистора, изображены основные потоки движения электронов и дырок, приведена схема подключения источников напряжения к переходам.

Рассмотрим отдельные фазы процесса движения носителей через транзистор, приводящего к созданию протекающих через транзистор токов.

Инжекция электронов в базу. Инжекцией называют процесс введения неравновесных носителей. Так как источник напряжения Е_ЭБ подключен к эмиттерному п'-р- переходу в прямом направлении («-» на эмиттере, «+» на базе), из эмиттера в базу инжектируются электроны, а из базы в эмиттер дырки. Поскольку эмиттер легирован значительно сильнее базы, поток электронов будет намного больше встречного потока дырок, и поэтому он определяет основные процессы, происходящие в транзисторе. Через эмиттерный переход протекает достаточно большой прямой ток /_э.

Экстракция электронов в коллекторную область. Экстракцией называют процесс отбора из приповерхностного слоя части равновесных носителей (процесс, обратный инжекции). Из-за разности концентраций инжектированные в базу электроны движутся к коллектору, стремясь равномерно распределиться по всему объему базы. Толщина базы w значительно меньше диффузионной длины L, поэтому большинство электронов достигает коллекторного перехода, не успевая рекомбинировать в базе. Рекомбинация — восстановление разрушенной валентной связи (при встрече электрона с дыркой). Вблизи коллекторного перехода электроны попадают под действие электрического поля этого обратно смещенного перехода. Так как электроны в базе являются неосновными носителями, происходит экстракция, или отбор электронов в область коллектора. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и, поскольку источник напряжения Е_къ подключен плюсом к коллектору, они легко доходят до коллекторного вывода, создавая коллекторный ток /_к во внешней цени транзистора. Дрейф электронов через коллекторный переход снижает их концентрацию в области базы, что создает благоприятные условия для инжекции эмиттером потока электронов.

Рекомбинация части электронов в базе транзистора. Как показано выше, большинство электронов, инжектированных эмиттером в базу, попадает в область коллектора. Однако небольшая часть их все-таки успевает рекомбинировать в области базы. Рекомбинация электронов вызывает соответствующий ток во внешней цепи — ток базы /_Б. Поэтому коллекторный ток /_к всегда оказывается меньше эмиттерного /_э.

Некоторые соотношения между транзисторн ы м и токами. В активном режиме между токами биполярного транзистора существует соотношение.

Для оценки усилительных свойств транзисторов используются следующие параметры:

• коэффициент передачи эмиттерного тока. Параметр, определяющий долю носителей зарядов (в рассматриваемом случае электронов), инжектированных эмиттером и достигших вследствие диффузии коллектора:

• коэффициент передачи базового тока

Из (9.2.1)—(9.2.3) следует, что, а = Р/(1 + Р) или Р = = а/(1 — а). Коэффициенты аир являются важнейшими физическими параметрами биполярного транзистора. Так как, а «1, то р » 1. Для современных транзисторов максимальное значение, а составляет 0,995, а Р — порядка 200.

Униполярные транзисторы. Биполярные транзисторы управляются током, вследствие чего имеют малое входное сопротивление. Поэтому вполне объяснимо стремление разработчиков полупроводниковых приборов создать усилительный элемент с большим (как у электронных ламп) входным сопротивлением. В результате появились транзисторы, управляемые электрическим полем (напряжением). В таких транзисторах под действием поля создается проводящий слой, или канал, по которому протекает рабочий ток. Известно два типа каналов:

• • объемные каналы, представляющие собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем. Для транзисторов с объемным каналом характерно то, что обедненный слой создается с помощью р-«-нерехода. Управление сопротивлением канала осуществляется с помощью электрического поля путем изменения площади поперечного сечения проводящего полупроводникового слоя (ширины р-и-иерехода). Отсюда следует название — полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом. Далее будем использовать название полевые транзисторы. Отметим, что в полупроводниковых диодах осуществляется продольное управление р-«-переходом;
• • приповерхностные каналы, представляющие собой либо обогащенные, либо инверсные слои. Управление сопротивлением канала осуществляется с помощью электрического поля путем изменения удельной проводимости полупроводникового слоя. Транзисторы с приповерхностным каналом имеют структуру металл — диэлектрик — полупроводник (МДП). Обычно в качестве диэлектрика используется диоксид кремния (Si0₂), поэтому этот тип транзисторов называют МОП-транзисторами. Это название и будет использоваться в дальнейшем.

Полевой транзистор. Основу транзистора составляет пластина полупроводника п- или p-типа, на поверхность которой нанесен слой полупроводника с электропроводностью противоположного типа. Для определенности полагаем, что основная пластина состоит из полупроводника «-типа. На торцы основной пластины с полупроводником «-типа и верхнюю часть полупроводника p-типа нанесены металлические пленки, к которым приваривают или припаивают внешние выводы транзистора (рис. 9.2.2).

Электрод, обеспечивающий электрическую связь со слоем p-типа, называют затвором (3), а электроды, подключенные к полупроводнику и-типа, — истоком (И) и стоком ©. Между полупроводниками с разными типами электропроводности образуется р-и-персход (заштрихованная область). Находящийся под ним слой, образуемый полупроводником.

Рис. 9.2.2. Структура полевого транзистора и образование проводящего канала.

пластины, обладает проводимостью и называется проводящим каналом (рис. 9.2.2, а). Поскольку р-я-иереход почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость практически равна нулю. Ширина проводящего канала h_K = h — d, где h — ширина пластины, d — ширина р-я-перехода. Для эффективного управления сечением канала управляющий р-п-переход делают резко несимметричным, чтобы запирающий слой в основном располагался в толще пластины с полупроводником я-типа, имеющим относительно малую концентрацию основных носителей, т. е. п_п<^р_р. Всегда можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе U₃ = U₀, при котором произойдет полное перекрытие канала h_K = h — d = 0 и ток канала /_к окажется равным нулю (рис. 9.2.2, б).

Так как управление сечением канала (и соответственно током /_к) производится обратно включенным р-я-переходом, сопротивление участка затвор — исток оказывается очень большим. Оно соответствует сопротивлению полупроводникового диода, включенного в обратном направлении.

При прямом включении управляющего р-я-перехода (U_?) > 0) возникает относительно большой прямой ток затвора и сопротивление участка затвор — исток резко уменьшается, поэтому такое включение не используется.

МОП-транзисторы. В отличие от полевых транзисторов с управляющим р-я-переходом в МОП-транзисторах электрод затвора изолирован от полупроводниковой области канала слоем диэлектрика, в качестве которого обычно используется диоксид кремния Si0₂. Работа МОП-транзисторов основана на изменении удельного сопротивления полупроводника. Управление сопротивлением канала осуществляется путем изменения разности потенциалов между объемом полупроводника и затвором. При этом изменяется основной ток транзистора — ток между истоком и стоком. Существует четыре разновидности МОП-транзисторов, которые разделяют:

• • по проводимости канала — п-каналъные и р-канальные;
• • по способу создания канала — с индуцированным, каналом и со встроенным каналом.

Особенности МОП-транзисторов рассмотрим на примере транзисторов с индуцированным я-каналом, которые из-за большей подвижности электронов по сравнению с дырками обладают лучшими характеристиками, чем р-канальные транзисторы.

Основой для изготовления транзистора служит кристаллическая пластинка слаболегированного кремния р-типа, которая называется подложкой. В теле подложки создаются две сильнолегированные области с я-типом проводимости, расположенные в непосредственной близости друг от друга (от 5 до 50 мкм). Одна из этих областей используется как исток И, другая — как сток С. Между истоком и стоком поверх тонкого (0,2—0,3 мкм) изолирующего слоя из диоксида кремния располагается металлический затвор 3. Исток, сток и подложка имеют омические контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжаются выводами. Подложку обычно соединяют с истоком.

При нулевом напряжении на затворе транзистор представляет собой два встречно включенных р-я-перехода. Поэтому при любой полярности напряжения на стоке рабочий ток транзистора (ток между истоком и стоком) весьма мал, так как равен току обратно смещенного р-я-перехода. При подаче на затвор небольшого положительного напряжения основные носители р-иолупроводника дырки начнут ухо;

Рис. 9.2.3. МОП-транзистор с индуцированным каналом.

дить в глубь приповерхностной области, в результате чего создается так называемый обедненный слой. На рис. 9.2.3, а показан пороговый режим, при котором в обедненном поверхностном слое подложки возникает инверсия проводимости. Это происходит при некотором пороговом наряжении затвора f/_3llop, при котором только намечаются формирование токопроводящего канала и появление тока стока. При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе (рис. 9.2.3, б) в подложке индуцируется инверсный слой, обладающий проводимостью n-типа, который соединяет и-области истока и стока, являясь токопроводящим каналом между ними. Напряжения U₃ > U_{3 пор}, U_c> О соответствуют рабочему режиму, когда по каналу течет ток /_к, обусловленный дрейфом электронов от истока к стоку. Дальнейшее увеличение напряжения стока U_c приводит к насыщению тока транзистора.