lection 4 (2009) (Лекционный курс)

Лекция 4БИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫБиполярные транзисторы. Взаимодействие двух близкорасположенных электроннодырочных переходов. Принцип работы биполярного транзистора. Виды биполярныхтранзисторов. Роль тока утечки между коллектором и базой.Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов. Режимы работы.Основные схемы включения. Усиление тока и напряжения.

Схема с общей базой. Схема собщим эмиттером. Схема с общим коллектором. Усилитель мощности.Транзисторный ключ. Особенности ключевого режима работы транзистора.Параметры транзисторного ключа. Быстродействие ключевой схемы. Транзистор сбарьером Шоттки.Планарные транзисторы. Транзисторы, изготовленные по планарной технологии.Многоэмитерные и многоколлекторные транзисторы.Полевые транзисторы. Принцип работы полевых транзисторов. Виды полевыхтранзисторов.

Металл-оксид-полупроводник МОП (МДП) структуры с изолированнымзатвором. МДП транзистор со встроенным каналом. МДП транзистор синдуцированным каналом. Быстродействие ключей на полевых транзисторах.Приборы и устройства транзисторного типа. Флэш-память. Приборы с зарядовойсвязью.Транзистор (от английского transfer – переносить и латинского resistor – сопротивление)– электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три электродаи предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрическихколебаний.По физическому принципу работы транзисторы можно разделить на два основных класса:биполярные и униполярные.В биполярных транзисторах физические процессы обусловлены переносом носителейзаряда обоих знаков. В основе работы биполярных транзисторов лежат процессыинжекции и диффузии неосновных носителей, дрейфа основных и неосновных носителейзаряда.В униполярных транзисторах физические процессы протекания электрического тока вполупроводниках обусловлены носителями заряда одного знака – электронами илидырками.

Перенос носителей заряда осуществляется за счет их дрейфа в электрическомполе.Кроме двух основных классов, можно рассмотреть целый ряд устройств и структуртранзисторного типа, действие которых основано на использовании различныхфизических явлений в полупроводниках и связанных, так или иначе, с управлением токомпри помощи тока.1БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВзаимодействие двух близкорасположенных электронно-дырочных переходов.Рассмотрим трехслойную полупроводниковую структуру, в которой два слоя содинаковым типом проводимости разделены слоем полупроводника с другим типомпроводимости.Получились два полупроводниковых диода, включенных навстречу друг другу. Еслиприложить внешнее поле, то один окажется включенным в прямом направлении, а другой– в обратном.

Подавая определенный потенциал на средний слой, можно управлять токамичерез каждый из p-n-переходов, величина которых будет определяться видом ВАХкаждого из переходов.Теперь представим, что средний слой довольно тонкий (толщина невелика по-сравнению сдиффузионной длиной неосновных носителей). В этом случае эти два p-n-перехода неявляются независимыми. Неосновные носители, инжектированные из левой части всредний слой, за счет диффузии быстро его проходят насквозь и попадают в правую часть,независимо от того, как включен правый p-n-переход.Такая трехслойная полупроводниковая структура, состоящая из двух слоевполупроводника с одинаковым типом проводимости, разделенных тонким слоемполупроводника с другим типом проводимости, называется биполярным транзистором.Обозначение n+ означает, что концентрация носителей повышенная по-сравнению с n, тоесть, область эмиттера сильно легированная. Напротив, слой базы имеет малую степень2легирования.

Толщина слоя базы либо много меньше диффузионной длины неосновныхносителей ( l Б << Ln, p , случай тонкой базы), либо сравнима с ней ( l Б ~ Ln, p , случайтолстой базы). Благодаря этому два p-n-перехода эффективно взаимодействуют междусобой.Транзисторы n-p-n типа распространены существенно больше. Инжектируемыминосителями в этом случае являются электроны, подвижность которых в несколько выше,чем у дырок, что обусловливает большее быстродействие.Принцип работы биполярного транзистораНа рисунке показан n-p-n-транзистор, включенный по схеме «с общим эмиттером». Впервом случае ключ S разомкнут, а во втором замкнут. Переход база-коллектор смещен вобратном направлении.

Поэтому в первом случае имеющийся потенциальный барьерпрепятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая током утечки(насыщения), можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю.При замыкании ключа переход база-эмитер становится смещенным в прямом направлении,а переход база-коллектор остается смещенным в обратном направлении.

Благодарясмещению перехода база-эмитер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типаинжектируются в базу и диффундируют по направлению к обедненному слою на переходебаза-коллектор. Эти электроны в слое базы являются неосновными носителями. Поэтомудля них обедненный слой не является запирающим. Напротив, достигнув обедненногослоя, они ускоряются полем потенциального барьера и движутся в коллектор, создавая темсамым в коллекторе коллекторный ток.Возникает вопрос, почему электроны не рекомбинируют с дырками при движении в базеp-типа в сторону коллектора.

Причиной является то, что, во-первых, база является слаболегированной, а во-вторых, она является очень тонкой. Поэтому лишь очень малое числоэлектронов будет перехвачено дырками и рекомбинирует.I К = αI Э , где α ~ 0.99...0.999α - коэффициент передачи эмитерного тока.3Малая доля электронов все же рекомбинирует, базовая область приобретаетотрицательный связанный заряд.

Батарея B1 в цепи базы является источникомположительного заряда, который компенсирует убыль дырок в базе из-за рекомбинации.Протекание этого заряда и образует базовый ток транзистора I Б = I Э − I К .Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда ипереход эмиттер-база поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в своюочередь, обеспечивает протекание коллекторного тока.

Таким образом, в транзистореимеет место управление током при помощи приложенного напряжения. Причем, I Б I КОтношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления токабазы β :IК1αβ===~ 10 2 ...10 31IЭ − I К1−α−1αВ типичном маломощном кремниевом транзисторе примерно 1 из 100 электроноврекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100.Ранее упоминалось, что при смещении p-n-перехода в прямом направлениитекущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрениисмещенного в прямом направлении перехода база-эмитер мы пока учитывали толькоэлектроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, посколькуобласть эмиттера специально легируется наиболее сильно (что обозначается n + ), чтобыобеспечить число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсемслабо, и это дает так мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока черезпереход база-эмитер.Ключевым моментом в работе транзистора является то, что, подавая на эмитерныйпереход определенный, достаточно слабый, сигнал, мы добиваемся изменения тока взначительном диапазоне.

Если в цепи коллектора поместить сопротивление нагрузки, наней будет падать напряжение, определяющееся величиной протекающего тока имногократно превышающее исходный сигнал эмитерном переходе. Таким образомреализуется возможность усиления напряжения.Виды биполярных транзисторовНа рисунке приведены условные обозначения n-p-n и p-n-p-транзисторов. Стрелочкавсегда направлена от дырок к электронам и указывает направление протекающего тока.4Роль тока утечки между коллектором и базойЧерез смещенный в обратном направлении переход коллектор-база из коллектора в базутечет ток неосновных носителей дырок – ток утечки (ток насыщения).

Величина этого токаI КБ 0 для кремниевых транзисторов составляет порядка 0,01мкА. Если транзистор включенв схему с общим эмиттером и цепь базы разомкнута, ток I КБ 0 приводит к повышениюпотенциала базы и беспрепятственно течет в эмиттер, для которого этот ток неотличим отвнешнего тока базы. Таким образом, I КБ 0 усиливается транзистором, и ток утечки междуколлектором и эмиттером возрастает до значения I КЭ = βI КЭ 0 , что может составлять уже 1мкА. Этот ток уже обусловлен током электронов из эмиттера, для которых повышениепотенциала базы из-за притока дырок из коллектора привело к снятию потенциальногобарьера (даже в отсутствие отпирающего напряжения в цепи базы). Поскольку величинатока утечки из коллектора определяется током неосновных носителей – дырок,концентрация которых сильно зависит от температуры:Eni2 NC2 − kBGT,=enn NDсильно зависит от температуры, увеличиваясь примерно вдвое приpn nn = ni2 ≈ pn N D⇒pn =то и ток I КВ 0нагревании на каждые 180С.

Когда I КЭ 0 становится сравнимым с нормальным токомколлекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-nпереходы могут работать до 2000С, а германиевые, имеющие много больший (в 102-103раз)ток утечки, только до 850СКогда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами I КВ 0 и I КЭ 0можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатнойтемпературе (200С) ток I КВ 0 имеет значение порядка 2 мкА, так что при β =100 ток I КЭ 0будет равен 200мкА.