Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем (1977)

6ЭОЛ 079 л"Д11 621.382.3 Степаненко И. П. С 79 Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и аоп. Мо «Знергия», 1977. 672 с. с нл. В ннкге проводктсл аналиа и расчет основных тдпов транеисторных уоилателеа, импульсных схем и источников питания. лннчиау схем цредшествует рассмотрение Енеическнх процессов в полупроводниковых диодах и транзисторах и характеристик дисдов и транвнсторов в качестве схемных елемевтоа. Существенна переработана по сравнению с третьим недавнем, вьппедщим в боту г., перван часть ннкги, во вторую и тропко части введены новые главы. Книга преднаеначена для инюенеров, аспирантов и студентов вуаов, снециачиаирующихск по микроалектронике и прнкладгюй алектроннке, вычислвтелыюй технике, автоматике и приборостроению.

30401-339 С 051(01)-77 © Иадательство еЭнергинь, 1977 т. ПРЕДИСЛОВИЕ К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ В предисловии к 3-му изданию отмечалось, что данная книга помимо специализирующихся по дискретной транзисторной технике рассчитана также на один из новых типов специалистов, появившихся благодаря развитию микроэлектроники, — проектировщиков интегральных схем. При подготовке 4-го издания автор старался внести такие изменения, которые отвечали бы интересам и тех и других.

А именно, в первой части («Транзисторы») существенно перердботаны и дополнены разделы, посвященные эффекту поля, контакту «металл-полупроводник», а также э 5-4 и э 5-5 (в этих двух параграфах, в частности, учтен ряд особенностей, свойственных интегральному исполнению). Во всей первой части автор старался в максимальной степени отдавать предпочтение кремниевым приборам по сравнению с германиевыми. Во вторую часть («Усилители») введены гл. 14 «Дифференциальный каскад», а также Э 10-4 «Каскод>.

Эти дополнения давно назрели, так как оба каскада давно вошли в практику и дискретных, и интегральных схем. Особо хотелось бы отметить, что в книге впервые анализируются усилители постоянного тока на 1>(ДП транзисторах 6 14-7). Глава 13 сокращена в объеме, поскольку материал о параллельно-балановых каскадах помещен в гл. 14, и по существу посвящена однотактным усилителям постоянного тока.

В третьей части («Импульсные схемы») главное дополнение состоит в том, что в $ 15-7 введен раздел дТоковые ключи», характеризующий ненасыщенный режим транзисторного ключа и одновременно дающий некоторое представление о логических схемах. Как и в предыдущих изданиях, выполнен большой объем редакционной работы, включая сокращение текста в некоторых разделах и обновление литературы. ' Автор отдает себе отчет в том, что структуру книги тоже желательно было бы усовершенствовать: материал, касающийся свойств полупроводников, превышает объемные нормы главы, материал цо полевым транзисторам — нормы параграфов и т. п. Логиче- ские элементы, ячейки памяти, компараторы и некоторые другне типы схем в книгу не включены сознательно: при отборе материала автор по-прежнему руководствуется тем, что книга посвящена о с н о в а м транзисторной техники и не является энциклопедическим обзором всех известных вариантов приборов и схем.

Кроме того, учитывается, что многие схемы перспективны лишь в интегральном исполнении, а микроэлектронике должна быть посвящена специальная книга. В книге в целях сохранения преемственности с предыдущими изданиями оставлены прежние буквенные обозначения параметров полупроводниковых приборов (таблица соответствия обозначений, принятых в книге и по ГОСТ, приведена в приложении). Автор будет признателен читателям за предложения и замечания по улучшению содержания книги, которые следует направлять по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая иаб., 10, издательство вЗнергия».

Автор ТРАНЗИСТОРЫ даава нарвал полупюводники г-!. ВВЕДЕНИЕ Обычно к полупроводниковым материалам относят вещества, которые при комнатной температуре имеют удельное электрическое сопротивление р в пределах от 10 ' — 10 ' до 10' — 10' Ом.см '. Вещества со значительно меньшим сопротивлением (10 а— 10 ' Ом см) причисляют к проводннкам (металлам), а со значительно большим (10'е — 1Огз Ом см) — к непроводникам (диэлектрикам). Металлы и диэлектрики являются «полюсами» наиболее общего класса веществ — полупроводников. Количество полупроводниковых материалов, известных в настоицее время, далеко превышает число металлов и диэлектриков.

К полупроводникам относятся некоторые химические элементы (Я, Ое, Яе), интерметаллические соединения (1пБЬ, ОаАз), окислы (Сп,О, ХпО), сульфиды (Сдб, Хпб), карбиды (ЯС) и множество других химических соединений. Различие между диэлектриками и полупроводниками в основНом количественное. Различие же между металлами и полупроводЙнками отнюдь не сводится к различию удельных сопротивлений. В отличие от чистых металлов сопротивление чистых полупроводников сильно зависит от температуры и, кроме того, с ростом температуры не увеличивается, а уменьшается. Так, для больщннства металлов температурный коэффициент сопротивления составляет + (0,4 — 0,6) % на 1'С, а для полупроводников он ьюжет достигать — (5 — 6) % на 1'С и более. При добавлении примеси в чистый металл удельное сопротивление образующегося сплава (нихрома, манганина и т. п.) больше удельного сопротивления каждого из компонентов, тогда Как при добавлении примеси в чистый полупроводник его удельное сопротивление сильно уменьшается: например, 10 'е/е мышьяка в германии снижает сопротивление последнего в 200 раз.

Причины отмеченных особенностей полупроводников станут иены после изучения их структуры и механизма проводимости. * Е полупроводниковой технике принято измерять удельное сопротивление лля ! сма материала (! Ом .см = !В Ом мм/м). В дальнейшем будут рассматриваться главным образом кремний и германий — основные материалы, используемые в современной транзисторной технике. Однако закономерности, характерные для этих материалов, распространяются в общем на весь класс элв1сгпронных полупроводников, в которых электрический ток обусловЛен только электронами, а не ионами 11„21. 1-3. СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ТИПЫ ПРОВОДИМОСТИ Полупроводники представляют собой кристаллы, которые можно разбить на множество повторяющихся однотипных элементарных ячеек '.

Такие ячейки — с т р у к т у р н ы е кмолекулы> кристалла — подобно химическим молекулам состоят из нескольких атомов 13, 41. Кристаллическая решетка кремния называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза. Она характерна также для германия и всех четырехвалентных элементов. В основе такой решетки лежит пространственная фигура — тетраэдр, в углах и центре которой расположены атомы (рис. 1-1, а). Характерная особенность тетраэдрической системы заключается в одинаковом расстоянии центрального атома от четырех угловых. Каждый угловой атом Рис. 1-1. Тетраздрвческая структура кристаллической решетки.

а — элементарный теераедр; б — алементерная ячейка. в свою очередь служит центральным для других четырех ближайших атомов. Совокупность нескольких тетраэдров образует элементарную ячейку (рис. 1-1, б) кубической формы с размером ребра около 0,5 нм (поспюяпноя рпиегпки). 1 Говоря о кристаллах, обычно подразумевают молонрислшллы. которые в отличие от лолилрисшаллоз совершенно однородны, т е. обладают идеальной, регулярной решеткой.

Поликристаллы, несмотря на в н е ш н ю ю однородность, имеют зернистую структуру, т. е. состоят из инолгесша микрокристаллов, разделенных межкристаллическимн гранями, равносильными дефектам решетки. для изготовления обычных полупроводниковых приборов (диодов. транзисторов) поликрнстзвлы непригодны, Всем крксталлам, в том числе типичным полупроводннкам, свойственна „„лзоглролия — завнснмость свойств от направленая, в котором зтв свойства рассматрвваются. Анизотропвя является естественным следствием того, что расстояния между смежны»гв атомюан различны в равных направленвях. Плоскости, лежащие внутри кристалла, в его наружные Граня принято обозначать кндексамв Мвллера (а) — совокупностью трех цнфр,'характервзуюшвх орнентацвю плоскости относительно атомов злеме»ггарной ячейкн.

Так, применительно к кубической решетке ввдекс (100) соответсшует плоскости, проходшцей через 11О) Ряс. 1-2. Характервстнческве плоскости кубической решетки. грань куба; нндекс (!10) — плосксств, проходящей через днагоналк противоположных граней; а индекс (111) — плоскостн, проходящей через трв вершины, не связанные сбщкмн ребрзмн (рнс.