Полупроводниковые приборы

Контрольная работа ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

1. Физические основы полупроводниковых приборов

2. Р-n — переход

3. Полупроводниковые диоды

4. Транзисторы

4.1 Биполярные транзисторы

4.1.1 Принцип действия транзистора

4.1.2 Схемы включения транзисторов

4.1.3 Статические характеристики транзисторов

4.1.4 Малосигнальные параметры транзистора

4.2 Полевые транзисторы

4.2.1 Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

4.2.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором Литература

1. Физические основы полупроводниковых приборов Полупроводник — это вещество, занимающее по величине удельной электрической проводимости промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками.

Основным признаком, выделяющим полупроводники как особый класс веществ, является сильное влияние температуры и концентрации примесей на их электрическую проводимость. Так, например, зависимость электрической проводимости полупроводника от температуры носит экспоненциальный характер и уже при сравнительно небольшом ее увеличении проводимость полупроводника резко возрастает (до 5 — 6% на градус). Проводимость же металлов с ростом температуры не увеличивается, а незначительно уменьшается: изменение составляет десятые доли процента на градус.

Введение

примеси в полупроводник уже при дозах порядка 10^-7 — 10^-9 % существенно увеличивает его электропроводность. У большинства полупроводников сильное изменение электрической проводимости возникает под воздействием света, ионизирующих излучений и других энергетических воздействий.

Применяемые в технике полупроводники имеют совершенную кристаллическую структуру. Их атомы размещены в пространстве в строго периодической последовательности на постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку.

Каждый атом, находящийся в кристаллической решетке, электрически нейтрален. Силы, удерживающие атомы в узлах решетки возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными электронами. Подобная связь атомов носит название ковалентной связи. Равновесное состояние системы частиц соответствует минимуму потенциальной энергии и является устойчивым, так как для разрушения молекулы необходима затрата энергии.

В германии и кремнии, являющихся четырехвалентными элементами, на наружной оболочке имеется по четыре валентных электрона. Поэтому каждый атом образует четыре ковалентные связи с четырьмя ближайшими, окружающими его атомами.

В рассмотренной идеальной решетке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не должна проводить электрический ток. Однако в полупроводниках (что коренным образом отличает их от диэлектриков) сравнительно небольшие энергетические воздействия, обусловленные нагревом или облучением, могут привести к разрыву некоторых валентных связей в решетке. При этом валентный электрон, оторвавшийся от своего атома, переходит в новое устойчивое состояние, в котором он обладает способностью перемещаться по кристаллической решетке. Такие сорванные с валентных связей подвижные электроны называются электронами проводимости. Они обусловливают электропроводность полупроводника, называемую электронной электропроводностью.

Минимальная величина энергии зоны ДW, которую необходимо сообщить валентному электрону для того, чтобы оторвать его от атома и сделать подвижным, зависит от структуры решетки и, следовательно, является параметром полупроводника.

Энергия электронов, перемещающихся по кристаллу, лежит в некотором диапазоне значений, иначе говоря, электроны занимают целую зону энергетических уровней, называемую зоной проводимости. Энергетические состояния валентных электронов также образуют зону, называемую валентной. Между максимальным уровнем валентной зоны и минимальным уровнем зоны проводимости лежит область энергетических состояний, в которых электроны не могут находиться; это так называемая запрещенная зона (рис. 1, а). Ширина запрещенной зоны ДW определяет энергию, необходимую для освобождения валентного электрона, т. е. энергию ионизации атома полупроводника.

Рис. 1. Энергетическая диаграмма полупроводника:

а — собственный полупроводник; б — примесный полупроводник Ширина запрещенной зоны для германия 0,72 эВ, для кремния 1,12 эВ. Для металлов валентная зона перекрывается с зоной проводимости.

Таким образом, с энергетической точки зрения отрыв валентного электрона от атома и превращение его в электрон проводимости соответствуют переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости. Схемы энергетических состояний электронов, изображенные на рис. 1, носят название энергетических диаграмм полупроводника.

При разрыве валентной связи и уходе электрона из атома в зону проводимости в решетке образуется незаполненная связь. В результате имеет место не скомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона +е. Так как на незаполненную связь легко переходят валентные электроны с соседних связей, чему способствует тепловое движение в кристалле, то место, где отсутствует валентный электрон, (называемое, дыркой), хаотически перемещается по решетке. При наличии внешнего поля дырка также будет двигаться в направлении действия поля, что соответствует переносу положительного заряда, т. е. электрическому току. Этот вид электропроводности полупроводника называют дырочной электропроводностью в отличие от ранее рассмотренной электронной электропроводности, обусловленной свободными электронами.

Полупроводник, имеющий в узлах решетки только собственные атомы, принято называть собственным полупроводником. Полупроводник, у которого часть атомов основного вещества в узлах кристаллической решетки замещена атомами примеси называют примесным. Для германия и кремния чаще всего используют пятивалентные и трехвалентные примеси. К пятивалентным примесям относятся фосфор, сурьма, мышьяк и др., а к трехвалентным — бор, алюминий, индий, галлий.

При наличии пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним». Энергия связи его со своим атомом зоны ДW_n намного меньше, чем энергия зоны ДW, необходимая для освобождения валентного электрона. Благодаря небольшой энергии ионизации зоны ДW_n пятый валентный электрон даже при комнатной температуре может быть оторван от своего атома за счет энергии теплового движения. При этом образуется свободный электрон, способный перемещаться по кристаллической решетке, и неподвижный положительный заряд — атом примеси, потерявший этот электрон. Примеси такого вида, отдающие электроны, называются донорными.

При введении трехвалентной примеси примесный атом отдает три своих валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя близлежащими атомами. Связь с четвертым атомом оказывается незаполненной, на нее сравнительно легко могут переходить валентные электроны с соседних связей. При переходе валентного электрона на незаполненную связь примесный атом с присоединенным лишним электроном образует в решетке неподвижный отрицательный заряд; кроме того, в решетке образуется дырка, способная перемещаться по решетке и обусловливающая дырочную проводимость полупроводника. Примеси такого вида, захватывающие электроны, называются акцепторными.

На энергетической диаграмме полупроводника (см. рис. 1, б) донорные и акцепторные примеси образуют локальные энергетические уровни, лежащие в запрещенной зоне. Уровни доноров находятся около зоны проводимости (энергия ионизации их равна ширине зоны ДW_n), а уровни акцепторов — у валентной зоны Их энергия ионизации равна ширине зоны ДW_р.

В чистом (беспримесном) полупроводнике электроны и дырки всегда образуются парами. Концентрации электронов n_i и дырок p_i в нем одинаковы:

где, А — коэффициент, зависящий от разновидности полупроводника; ДW₀ — ширина запрещенной зоны при T= 0 К, k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Энергия активации примеси очень невелика, уже при комнатной практически все атомы примеси оказываются ионизированными, кроме того, ионизируется некоторая часть атомов основного вещества. Таким образом, в полупроводнике с донорной примесью концентрация электронов в зоне проводимости определяется выражением

n_n = N_д + ,

где N_д — концентрация донорной примеси равна. Обычно N_д >>, т. е. концентрация электронов в полупроводнике с донорной примесью получается большей, чем в беспримесном полупроводнике.

Концентрация дырок в полупроводнике с донорной примесью оказывается значительно ниже концентрации электронов. В связи с этим их называют неосновными носителями заряда, электроны, составляющие в данном случае подавляющую массу подвижных носителей, — основными носителями заряда, а полупроводник с донорной примесью — полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником n-типа (negative — отрицательный).

В полупроводнике с акцепторной примесью концентрация дырок существенно выше концентрации электронов. Поэтому электроны в данном случае являются неосновными носителями, а дырки являются основными носителями. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа (positive — положительный).

Причиной, вызывающей электрический ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле. Пусть по каким-либо причинам концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в различных его точках неодинакова. Если при этом тело электрически нейтрально и в любой его микрообласти сумма положительных и отрицательных зарядов равна нулю, то различие в концентрациях носителей в соседних областях не приведет к появлению электрического поля и электрических сил расталкивания, выравнивающих концентрацию. Но в соответствии с общими законами теплового движения в полупроводнике возникнет диффузия микрочастиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией. Так как диффундирующие микрочастицы несут заряд, то в результате диффузии в полупроводнике появится электрический ток. В отличие от дрейфового тока, вызываемого электрическим полем, электрический ток, обусловленный градиентом концентрации носителей, называют диффузионным током.

В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и градиент концентрации носителей. Тогда ток, протекающий в полупроводнике, будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную компоненты.

2. Р-n — переход

Электронно-дырочный переход (p-n — переход), область полупроводника (рис. 2, а), в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной проводимости к дырочной).

Рис. 2. Пространственный заряд в области p-n-перехода (а) и вольт-амперная характеристика p-n-перехода (б) Поскольку в р-области р-n — перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из pобласти стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область. Однако после ухода дырок в p-области остаются отрицательно заряженные атомы акцепторной примеси (отрицательные ионы), а после ухода электронов в n-области — положительно заряженные атомы донорной примеси (положительные ионы). Т. к. эти ионы неподвижны, то в области р-n — перехода образуется двойной слой пространственного заряда — отрицательные заряды в р-области и положительные заряды в n-области (рис. 2). Возникающее при этом контактное электрическое поле по величине и направлению таково, что оно противодействует диффузии свободных носителей тока через р-n — переход.

В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полный ток через р-n — переход равен нулю. В р-n — переходе существует динамическое равновесие. Небольшой ток, создаваемый неосновными носителями в этом случае (электронами в р-области и дырками в n-области), течёт к переходу и проходит через него под действием контактного электрического поля. Равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через переход в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное электрическое поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между pи n-областями из-за наличия контактного электрического поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через него. Если положительный потенциал приложен к р-области, то внешнее электрическое поле направлено против контактного электрического поля, т. е. потенциальный барьер снижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер, и появляется отличный от нуля ток через электронно-дырочный переход. При повышении приложенного напряжения этот ток экспоненциально возрастает (рис. 2,б). Наоборот, приложение положительного потенциала к n-области (обратное смещение) приводит к увеличению потенциального барьера. При этом диффузия основных носителей через р-n — переход становится пренебрежимо малой.

В самом общем виде зависимость тока через р-n — переход от приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика p-n-перехода) представляется экспоненциальной зависимостью (рис. 5.2,б):

I = I_нас(exp — 1),

где I_нас — обратный (тепловой) ток p-n-перехода, которым формируется обратная ветвь вольтамперной характеристики, ц_Т = kT/e — температурный потенциал, равный приблизительно 26мВ при комнатной температуре (Т = 300К), k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, е — заряд электрона.

Обратный ток имеет небольшие значения (мкА или нА), но довольно сильно возрастает при увеличении температуры. На I_нас влияют многие факторы, но решающую роль здесь играет ширина запрещенной зоны полупроводника, из которого выполнен p-n-переход. Обратный ток равен примерно 10^-7 А для германиевых переходов и 10^-11 А для кремниевых переходов, поскольку ширина запрещенной зоны у германия меньше, чем у кремния.

Таким образом, вольтамперная характеристика обладает резко выраженной нелинейностью (рис. 5.2,б). При изменении знака напряжения ток через р-n — переход может меняться в 10⁵-10⁶ раз. Благодаря этому р-n — переход является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов.

Важным параметром р-n — перехода является его дифференциальное сопротивление r_д = dU/dI. С ростом тока дифференциальное сопротивление быстро уменьшается. При токах порядка единиц и десятков мА r_д составляет десятки и единицы Ом.

От приложенного напряжения зависит не только проводимость, но и ёмкость р-n — перехода. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между пи р-областями полупроводника и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды являются неподвижными и связанными с кристаллической решёткой ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением ёмкости р-n — перехода (барьерной емкости). При прямом смещении к барьерной ёмкости добавляется т. н. диффузионная ёмкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на р-n — переходе приводит к увеличению концентрации неосновных носителей, т. е. к изменению заряда. Зависимость ёмкости от приложенного напряжения позволяет использовать р-n — переход в качестве варактора — прибора, ёмкостью которого можно управлять, меняя напряжение.

полупроводниковый биполярный полевой транзистор

3. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла. Понятие «полупроводниковый диод» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных полупроводниковых диодов различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны. Среди оптоэлектронных полупроводниковых диодов выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и полупроводниковые квантовые генераторы.

Наиболее многочисленны полупроводниковые диоды, действие которых основано на использовании свойств р-n — перехода. Если к р-n — переходу диода (рис.3) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область — течёт большой прямой ток (рис. 4). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р-n — переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 5 приведена эквивалентная схема такого полупроводникового диода.

Рис. 3. Полупроводниковый диод с р-n — переходом (структурная схема) Рис. 4. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р-n — переходом Рис. 5. Эквивалентная схема полупроводникового диода с р-n — переходом На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов, условное графическое обозначение которого приведено на рис. 5.6. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные полупроводниковые диоды. Для таких диодов указывается среднее значение прямого тока или величина выпрямленного тока (в последний входит и обратный ток диода во время действия полуволны обратного напряжения). Падение напряжения на диоде при этом характеризуется средним значением прямого напряжения за период. Если выпрямитель работает на емкостную нагрузку, мгновенное значение прямого тока может значительно превышать среднее значение тока. Предельный электрический режим использования диодов характеризуется следующими параметрами: максимальное обратное напряжение — напряжение любой формы и периодичности; максимальное значение прямого тока или выпрямленного тока в зависимости от конкретного схемного применения диода.

Рис. 6. Условное графическое обозначение выпрямительного и импульсного диодов Выпрямительные диоды имеют допустимый выпрямленный ток I_в до 300А и максимальное допустимое обратное напряжение U*_обр от 20 — 30 В до 1−2 кВ. Полупроводниковые диоды аналогичного применения для слаботочных цепей имеют I_в < 0,1 А и называются универсальными. При напряжениях, превышающих U*_o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р-n — перехода (рис.4), приводящий к выходу полупроводникового диода из строя. Инерционность выпрямительных диодов ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50−2000 Гц).

Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10^-7-10^-10 сек и создать быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды, используемые в слаботочных сигнальных цепях.

Импульсные диоды (рис.6) предназначены для использования в качестве ключевых элементов в схеме при малых длительностях импульсов и переходных процессов (микросекунды и доли микросекунд). При коротких импульсах учитывается инерционность процессов включения и выключения диодов. После включения прямого тока напряжение на диоде устанавливается не мгновенно. Интервал времени от начала импульса прямого тока до момента, когда напряжение на диоде упадет до заданного уровня, называется временем установления прямого сопротивления диода. Отношение максимального импульсного прямого напряжения на диоде к импульсу прямого тока называется импульсным сопротивлением диода. При протекании прямого тока в базе диода накапливается заряд. При подаче запирающего напряжения этот заряд рассасывается и вызывает протекание импульса обратного тока. Интервал времени от момента, когда ток через диод равен нулю, до момента, когда обратный ток уменьшится до заданного уровня, называется временем восстановления обратного сопротивления диода. Импульсные диоды характеризуются малым значением барьерной емкости, измеряемой как емкость между выводами при заданном напряжении смещения.

Стабилитрон — полупроводниковый диод (рис. 7), предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Электрический пробой перехода в данном случае является обратимым — резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называемым напряжением стабилизации U_cт (рис. 8). На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов. Основной параметр стабилитрона — напряжение стабилизации в рабочей точке, для которой задается дифференциальное сопротивление стабилитрона — отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому изменению тока стабилизации. Нормируется также дифференциальное сопротивление при минимальном токе стабилизации. Важным параметром является ТКН (температурный коэффициент напряжения стабилизации) — отношение относительного изменения напряжения к абсолютному изменению температуры окружающей среды. Значение ТКН выражается в процентах на 1 °C.

Диод, в котором для стабилизации используется прямая ветвь ВАХ, называют стабистором. Напряжение стабилизации стабисторов составляет всего несколько десятых долей вольта.

Рис. 7. Условное графическое обозначение стабилитрона Рис. 8. Вольтамперная характеристика стабилитрона Максимальный режим работы для стабилитронов и стабисторов характеризуется максимальным током стабилизации и максимальной рассеиваемой мощностью.

У р-n — перехода на основе очень низкоомного (вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда, оказывается очень тонкой (~ 10^-2 мкм), и для неё становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер. На этом свойстве основана работа туннельного диода (рис.9).

Рис. 9. Условное графическое обозначение туннельного диода Туннельный диод характеризуется наличием на его ВАХ участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 10). Отрицательное сопротивление сохраняется до сотен и тысяч МГц. Наличие в характеристике туннельного диода участка с отрицательным сопротивлением позволяет использовать его в усилителях, генераторах синусоидальных и релаксационных колебаний, переключающих схемах.

Рис. 10. Вольтамперные характеристика туннельного Диоды Шотки (рис. 11) отличаются от диодов на р-n — переходах отсутствием инжекции неосновных носителей. Это означает, что у них отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе, что существенно повышает быстродействие диодов при изменениях токов и напряжений, в том числе при переключениях с прямого направления на обратное и с обратного на прямое. Время таких переключений определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять десятые и сотые доли наносекунды. Соответствующие рабочие частоты лежат в пределах 3…15 ГГц. Не менее важной особенностью диодов Шотки является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на р-n — переходе. Типичными для диодов Шотки являются прямые напряжения 0,2 В. Обратные токи близки к реальным обратным токам кремниевых р-n — переходов.

Рис. 11. Условное графическое обозначение диода Шотки

Варикап — полупроводниковый диод (рис.12), работа которого базируется на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от приложенного к нему обратного напряжения.

Рис. 12. Условное графическое обозначение варикапа Фотодиодом называют полупроводниковый диод (рис.13), в котором под действием падающего на него светового потока Ф образуются подвижные носители зарядов, создающие дополнительный ток (фототок) через обратно смещенный р-п — переход.

Рис. 13. Условное графическое обозначение фотодиода В отсутствие светового потока (Ф = 0) в фотодиоде, под действием обратного напряжения, течет только обратный ток. При освещении фотодиода (Ф > 0) в его базе под действием квантов света развивается процесс генерации пар зарядов. Наиболее интенсивен процесс генерации пар зарядов у внешней поверхности базы. Вновь образовавшиеся электроны и дырки диффундируют через толщу базы к р-п — переходу. Дырки увлекаются контактным полем и выбрасываются в р-область, увеличивая таким образом плотность потока неосновных носителей через переход, а, следовательно, и обратный ток в приборе.

Светодиод или светоизлучающий диод — полупроводниковое устройство (рис. 14), излучающее некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком участке спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в СИД полупроводника.

Рис. 5.14. Условное графическое обозначение светодиода Принцип работы светодиода основан на том, что при прямом смещении потенциальный барьер р-n-перехода понижается и происходит инжекция электронов в р-область и дырок в n-область. В процессе рекомбинации неосновных носителей в переходе выделяется энергия в виде фотонов, т. е. процесс сопровождается световым излучением, частота которого зависит от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала. Если ширина запрещенной зоны больше 1,8 эВ, то излучается видимый свет (длина волны менее 700 нм), а если меньше, то излучение невидимо и находится в инфракрасной части спектра.

4. Транзисторы

Транзистор — это электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) вывода, предназначенный для генерирования и преобразования электрических колебаний. Транзисторы составляют два основных крупных класса: униполярные транзисторы и биполярные транзисторы.

4.1 Биполярные транзисторы Биполярным транзистором (БТ) называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя выводами. Усилительные свойства БТ обусловлены движением неосновных носителей обоих знаков (электронов и дырок), что и подчеркивается термином «биполярный», отличающим приборы этого класса от полевых (униполярных) транзисторов, в которых усиление связано с движением только основных носителей.

Транзистор представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, в которой созданы три области с чередующимися типами проводимости (р-n-р или n-р-n). Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая коллектором (К), средняя — базой (Б). Структуры и условные графические обозначения двух типов транзисторов приведены на рис. 5.15.

Рис. 15. Структура и условное обозначение транзисторов: а — с р-n-р-структурой; б — с n-p-n-структурой

Часто транзисторы с р-n-р-структурой называют прямыми, а с n-p-n-структурой — обратными.

4.1.1 Принцип действия транзистора Каждый из электронно-дырочных переходов транзистора можно включить либо в прямом направлении, либо в обратном. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1) режим отсечки, при котором оба перехода закрыты (смещены в обратном направлении);

2) режим насыщения, при котором оба перехода открыты (смещены в прямом направлении);

3) активный режим, при котором один из переходов открыт, а другой закрыт. Этот режим называется режимом усиления.

В активном режиме работы транзистора при его нормальном включении на эмиттерный переход подается прямое смещение (рис. 16), а на коллекторный — обратное.

Рис. 16. Распределение токов в p-n-p-транзисторе в активном режиме. Стрелками указаны направления токов, а не перемещение образующих их носителей Эмиттерный переход выполняет функцию инжекции (впрыскивания) носителей заряда в область базы. В случае p-n-p-транзистора дырки (основные носители в р-области) инжектируются в область базы (n-область), в которой они являются неосновными. Область эмиттера делается значительно более низкоомной, чем область базы, поэтому протекающий через эмиттерный переход прямой ток содержит в основном дырочную составляющую i_эр, так как она превалирует над электронной составляющей i_эn, обусловленной потоком электронов из базы в эмиттер.

Поскольку инжектированные в область базы дырки оказываются здесь неосновными и неравновесными носителями, они вступают в диффузионное движение, стремящееся выровнять их концентрацию по всему объему базы. Толщина базы делается меньше диффузионной длины неосновных носителей (у современных транзисторов толщина базы не превышает 1мкм), поэтому основная часть дырок достигает границы коллекторного перехода и попадает под действие захватывающего их электрического поля, создаваемого приложенным к коллекторному переходу обратным напряжением. Это поле вызывает быстрый дрейф дырок через коллекторный переход в область коллектора, где они становятся основными носителями. В результате дырки беспрепятственно доходят до вывода коллектора. В месте омического контакта коллекторной области с металлическим выводом эти дырки рекомбинируют с подходящими от внешнего источника электронами и создают в цепи коллектора ток i_кр, перенесенный из цепи эмиттера. Небольшая часть дырок успевает рекомбинировать в базе с основными носителями (электронами) и образует в цепи базы небольшой рекомбинационный ток i_бр.

Таким образом, введенный в цепь эмиттера ток передается в цепь коллектора с коэффициентом, который называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Его величина меньше единицы и для современных транзисторов лежит в пределах от 0,9 до 0,998.

Поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении, на составляющую тока i_кр накладывается обратный ток коллекторного перехода i_к0. В результате полный ток коллектора

(*)

а ток базы Выражение (*) для тока коллектора указывает на возможность управления этим током путем изменения тока эмиттера. Поскольку эмиттерный переход находится под прямым смещением, изменение тока эмиттера сопровождается малым изменением напряжения, т. е. требует небольшой мощности. При этом ток в коллекторной цепи претерпевает практически такое же изменение (так как), но вследствие обратного смещения коллекторного перехода напряжение питания этой цепи может быть выбрано большим, что позволяет при соответствующем выборе резистора R_к в цепи коллектора получать в нем большое изменение мощности.

Симметричность структуры транзистора позволяет при его включении коллектор и эмиттер менять местами. Такое включение носит название инверсного. В этом случае транзистор также может проявлять усилительные свойства. Реальные транзисторы оптимизируются под определенный способ включения.

Принцип действия транзистора n-р-n-типа аналогичен рассмотренному ранее принципу действия транзистора с p-n-p-структурой. При этом полярности источников питания и направления токов следует заменить противоположными и взаимно поменять функции электронов и дырок.

4.1.2 Схемы включения транзисторов

Так как транзистор имеет три вывода (эмиттер, базу и коллектор), при его включении в схему в качестве четырехполюсника один из выводов является входным зажимом, второй — выходным, а третий — общим для входа и выхода четырехполюсника. В связи с этим возможны три схемы включения транзистора (рис. 17).

Рис. 17. Схемы включения p-n-p-транзистора: а — с общей базой (ОБ); б — с общим эмиттером (ОЭ); в — с общим коллектором (ОК) Рассмотренный выше принцип работы транзистора относится к схеме с общей базой (ОБ). Именно эта схема позволяет хорошо раскрыть физику транзистора.

В схеме с общим эмиттером (ОЭ), представленной на рис. 17, б, выходным током, как и в схеме с ОБ, является ток коллектора, незначительно отличающийся от тока эмиттера, а входным ток базы, значительно меньший, чем. Коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ Можно показать, что

Поскольку «1, то «1. Обычно лежит в пределах от 20 до 300. С учетом обратного тока коллектора для схемы с ОЭ Отметим, что независимо от схемы включения транзистора для него всегда справедливо уравнение, связывающее токи его электродов:

4.1.3 Статические характеристики транзисторов

Статическими характеристиками называют зависимости постоянных токов (напряжений) в цепях электродов транзистора от приложенных к электродам постоянных напряжений (протекающих в цепях электродов токов).

На практике наиболее часто оперируют с входными и выходными статическими характеристиками. Эти характеристики в общем виде для схемы с ОЭ приведены на рис. 18. В зависимости от типа транзистора (р-n-р или n-p-n) напряжение коллектор-эмиттер и ток базы могут иметь разные знаки, поэтому для общности характеристик эти величины на рис. 18 взяты как абсолютные.

Рис. 18. Статические характеристики транзистора в схеме сообщим эмиттером: а — входные; б — выходные

Входные характеристики показывают зависимость тока базы от напряжения базы относительно эмиттера при фиксированных значениях напряжения коллектор-эмиттер. По своей форме они близки к вольтамперным характеристикам диода. При = 0 входная характеристика проходит через начало координат.

Выходные характеристики транзистора отражают зависимость тока коллектора от напряжения при различных значениях тока базы. Наиболее протяженная область выходных характеристик, в пределах которой характеристики идут под небольшим углом к горизонтальной оси, называется активной областью.

Область между вертикальной осью и начальным участком выходных характеристик, где они круто поднимаются вверх, называется областью насыщения коллекторного тока. Эта область соответствует небольшим напряжениям на коллекторе (у германиевых транзисторов до 0,2 В, у кремниевых — до 1 В). Сопротивление постоянному току в области насыщения очень мало (единицы-десятки Ом). Область насыщения используется при работе транзисторов в режиме переключений (ключевом режиме).

В переключающих схемах транзисторы работают также в области отсечки, которая характеризуется обратным смещением коллекторного и эмиттерного переходов. Область отсечки располагается ниже характеристики при = 0, но не доходит до нее.

Со стороны больших напряжений на коллекторе активная область, выходных характеристик ограничивается областью сильного увеличения коллекторного тока, где характеристики изгибаются и начинают круто подниматься вверх, что связано с пробоем коллекторного перехода.

4.1.4 Малосигнальные параметры транзистора

Коэффициенты передачи тока эмиттера и тока базы, введенные при рассмотрении принципа работы транзистора, зависят соответственно от тока эмиттера и тока базы. Это, в частности, проявляется на расположении семейства выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ: характеристики, снятые через равные приращения тока базы не являются эквидистантными, т. е. расстояния между ними при фиксированном напряжении разные. Поэтому при больших приращениях входных токов коэффициенты пропорциональности между и (или) будут изменяться. Однако, если усиливаемый сигнал небольшой по величине, то эти коэффициенты, называемые малосигнальными (дифференциальными), изменяться не будут, а будут зависеть только от напряжения коллектора относительно общего электрода.

В связи с этим вводят дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера и дифференциальный коэффициент передачи тока базы

4.2 Полевые транзисторы Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда только одного знака (электронами или дырками) под действием продольного электрического поля. Управление величиной тока в полевых транзисторах осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего участка полупроводника поперечным электрическим полем. Это поле создается напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Различают полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом и МОП-транзисторы.

4.2.1 Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника пили р-типа.

Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом представляет собой (рис. 19, а) полупроводник n-типа с сильно легированными областями с соответствующими типами проводимости, являющимися истоком (И), затвором (З) и стоком ©. Эти области и подложка покрыты алюминием, к слою металла приварены выводы. Между истоком и стоком имеется узкий проводящий канал (в нашем случае канал nтипа), а на границе между каналом и затвором — р-n-переход. Полупроводниковая пластинка размешается в металлическом корпусе (рис. 19, б).

Рис. 19. Структура (а), конструкция (б) и условное обозначение (в) полевого транзистора с управляющим переходом и с каналом n-типа Толщина канала h_кан обычно равна 1−3 мкм, длина L_кан (расстояние между областями истока и стока) составляет 3−10 мкм, ширина канала d = 0,5−10 мм.

Условное обозначение транзистора (рис. 5.19, в) содержит стрелку, указывающую на проводимость канала. Стрелка направлена в сторону канала, если он обладает проводимостью n-типа, и от канала, если он обладает проводимостью р-типа.

Принцип действия транзисторов с каналом n-типа и с каналом типа р-типа один и тот же, поэтому в дальнейшем будем для определенности рассматривать транзистор с каналом n-типа.

Включение канала в электрическую цепь обеспечивается с помощью электродов. Один из них называется истоком, через него носители заряда поступают в прибор. Другой называется стоком. Электрод, через который подводится напряжение к наружной области р-n-перехода, называется затвором.

Электрическое сопротивление канала зависит от его толщину h_кан, ширины d и длины L_кан

где — удельная проводимость полупроводника.

Толщина канала, определяющая его электрическое сопротивление, зависит от глубины проникновения в канал р-n-перехода, поскольку область р-n-перехода практически лишена подвижных носителей заряда и имеет большое электрическое сопротивление. Прикладывая к затвору обратное напряжение, можно изменять глубину проникновения р-n-перехода в канал, т. е. толщину, канала и его электрическое сопротивление. В результате будет изменяться величина тока, протекающего в цепи стока под действием приложенного к стоку напряжения. На этом принципе и основано действие транзистора с управляющим р-n-переходом.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом никогда не работает при положительном смещении на затворе, поэтому в цепи затвора практически нет никакого тока кроме утечки.

4.2.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором В полевых транзисторах с изолированным затвором затвор изготовляется в виде металлической пластины, изолированной пленкой диэлектрика от полупроводника. Роль канала в таких транзисторах выполняет тонкий поверхностный слой кристалла с измененным типом электропроводности.

В зависимости от способа изменения типа электропроводности на поверхности кристалла различают транзисторы с индуцированным каналом и с встроенным каналом. Такие приборы часто называют МДП-транзисторами, подчеркивая, что они имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник.

Подложка МДП-транзистора с изолированным затвором и встроенным (собственным) каналом (рис. 20, а) изготавливается из чистого или слаболегированного кремния. Методом диффузии в кристалле создают сильнолегированные области противоположного по сравнению с подложкой типа проводимости и тонкий приповерхностный слой слаболегированного полупроводника — канал. Металлический слой затвора изолируют от подложки. Толщина диэлектрика составляет 0,1—0,2 мкм. Сильнолегированные области полупроводника являются истоком и стоком, они отделены от подложки р-n-переходом.

Рис. 20. Структура (а) и условное обозначение (б) полевого транзистора с встроенным каналом n-типа

Структура МДП-транзистора с индуцированным каналом (рис. 21) отличается от рассмотренной отсутствием формируемого в процессе изготовления транзистора канала. Он образуется под действием управляющего напряжения.

Рис. 21. Структура (а) и условное обозначение (б) полевого транзистора с встроенным каналом n-типа Для создания тока стока i_с между стоком и истоком прикладывают напряжение u_си. Полярность его в транзисторе с каналом n-типа относительно истока должна быть положительной. Управляющим является напряжение затвор-исток u_зи. В транзисторе с управляющим р-п-переходом (рис. 22, а) напряжение на переходе должно быть обратным. Чем больше величина обратного напряжения, тем больше ширина перехода и меньше толщина проводящего канала и ток стока. При достаточно большом управляющем напряжении, называемом напряжением отсечки u_зиотс, возможно перекрытие канала.

Рис. 22. Включение по схеме с общим истоком полевых транзисторов: а — с управляющим p — n-переходом; б — с встроенным каналом; в — с индуцированным каналом

В транзисторе со встроенным каналом напряжение затвор-исток на толщину канала воздействия не оказывает, происходит управление концентрацией носителей заряда в канале.

Если имеется канал n-типа (рис. 22, б), напряжение u_зи отрицательной относительно истока полярности создает в канале электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области подложки, истока и стока.

Одновременно в канал из этих областей втягиваются дырки. Происходит обеднение канала основными носителями заряда и уменьшение тока стока. Напряжение между затвором и истоком положительной относительно истока полярности обеспечивает втягивание электронов в канал из областей истока, стока и подложки. Происходит обогащение канала основными носителями заряда и увеличение тока стока. Транзистор со встроенным каналом работает преимущественно в режиме обогащения.

В транзисторе с индуцированным каналом (рис. 22, в) при подаче только напряжения сток-исток ток в выходной цепи транзистора отсутствует, так как между стоком и истоком имеется два встречновключенных р-n-перехода и независимо от полярности внешнего напряжения один из переходов оказывается включенным в обратном направлении. В транзисторе, образованном в полупроводнике р-типа, положительное относительно истока напряжение затвор-исток достаточно большой величины вызывает вблизи затвора обогащение слоя полупроводника электронами, втянутыми в эту область из истока, стока и подложки. Между стоком и истоком создается индуцированный (наведенный) электрическим полем канал, по которому может протекать ток. Напряжение затвор-исток отрицательной полярности вызывает втягивание дырок в область вблизи затвора. Проводящий канал в этом случае отсутствует.

Вольтамперные характеристики полевых транзисторов выражают зависимости между токами электродов и создаваемыми между ними напряжениями. Их называют статическими, если изменения токов происходят при медленных изменениях напряжений и в отсутствие нагрузок в цепях электродов. Для транзисторов, включаемых по схеме с общим истоком, это характеристики:

а) прямой передачи (стоко-затворные) — i_с = f (u_зи) при U_СИ = const;

б) выходные — i_с = f (u_cи) при U_ЗИ = const.

Изображая их, полярности напряжений отнесем к транзисторам с каналами n-типа.

В транзисторе с управляющим переходом (рис. 23, а) при больших отрицательных напряжениях затвористок канал перекрыт, ток стока i_с отсутствует. Уменьшение величины управляющего напряжения вызывает увеличение тока стока. На величину тока i_c некоторое влияние оказывает напряжение сток-исток u_си. Характеристика, снятая при напряжении U?_си > U?_си, смещена вверх и влево по отношению к полученной для напряжения U?_си. Для транзистора с изолированными затвором и встроенным каналом (рис. 23, б) управляющее током i_c напряжение u_зи может быть как положительным, так и равным нулю или отрицательным. К затвору в транзисторе с индуцированным каналом (рис. 23, в) для создания тока i_c необходимо приложить положительное относительно истока напряжение u_зи, по величине большее порогового его значения u_зипор. Характеристики построены для трех значений напряжения u_си, причем U?_си > U?_си > U??.

Рис. 23. Характеристики прямой передачи полевых транзисторов Основные параметры полевых транзисторов:

крутизна характеристики выходное сопротивление в режиме управляемого источника тока статический коэффициент усиления напряжения Эти параметры связаны равенством

1. Ямпурин Н. П.: Электроника. — М.: Академия, 2011

2. Воронков Э. Н.: Твердотельная электроника. — М.: Академия, 2010

3. Гуртов В. А.: Зарядоперенос в структурах с диэлектрическими слоями. — Петрозаводск: ПетрГУ, 2010

4. Дрейзин В. Э.: Управление качеством электронных средств. — М.: Академия, 2010

5. Институт СВЧ полупроводниковой электроники РАН: Наногетероструктуры в сверхвысокочастотной полупроводниковой электронике. — М.: Техносфера, 2010

6. Прянишников В. А.: Электроника. — СПб.: КОРОНА-Век, 2010

7. рец.: С. П. Вихров, О. А. Изумрудов: Твердотельная электроника. — М.: Академия, 2010

8. Ямпурин Н. П.: Основы надежности электронных средств. — М.: Академия, 2010

9. Под ред. А. А. Орликовского; Рец.: А. Ф. Александров, А. А. Горбацевич: Наноэлектроника. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009

10. Под ред.: А. А. Кураева, Д. И. Трубецкого; А. В. Аксенчик и др.: Методы нелинейной динамики и теории хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009