Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем (1977) (1086783), страница 38
Текст из файла (страница 38)
3-11. Как видим, особенность збращенного диода состоит в том, что от:утсгвует (или очень мал) максимум на прямой ветви. В этом случае логично повернуть характеристику иа 180' (показано пунктиром) и считать прямую ветвь об- Рис. Б-!1. статическая ратной, а обратную — прямой.
Таким об- характеристика оорагаенразом, обращенный диод имеет значи- ного диода. гельно меньшее прямое напряжение, чем збычные полупроводниковые диоды (у которых оно составляет сотни милливольт и более), что очень ценно для многих прил1енаний П51. Однако его обратное напряжение тоже весьма мало (0,3 — 0,5 В) н с этим нужно считаться прн расчете схем. Технодогия туннельных и обращенных диодов почти одинакова; раздичие состоит главным образом в подборе исходных материалов (у обращенных диодов концентрация примесей меньше, чем у туннельны х).
з-д. Диоды шотжи В основе диодов Шоттки лежит контакт между металлом и полупроводником. Такой контакт, как отмечалось в $2-4, при определенных условиях может обладать выпрямительными свойствами. Бдя этого необходимо, чтобы приповерхностный слой полупроводника в равновесном состоянии был обеднев основными носителями и чтобы сопротивление обедненного слоя было много больше сопротивления остальной части полупроводниковой пластины. Несмотря на то что теория контакта между металлом н полупроводникогл существует около 50 лет ', реализовать данный тип диодов удалось "ишь в начале 70-х годов. На пути реализации такого, казалось бы, простого прибора стояли следующие трудности: во-первых, нужно бьшо осуществить органический контакт металл — полупроводник Диоды названы по ииени одного из ранних исследователей таких контактов — ненецкого физика Шоттки.
без каких бы то ни было промежуточных слоев (прижимный контакт ие обеспечивал этого условия); во-вторых, и это главное, нужно было добиться малого сопротивления полупроводниковой пластичы, не жертвуя при этом ее удельным сопротивлением (в противном случае резко уменьшилось бы пробивное напряжение, см. з 2-7). Указанные трудности были преодолены путем использования современных технологических методов — вакуумного н а пыл е н и я металлических контактов и эпитаксиального парашин а н н я тонкого высокоомного слоя полупроводника на низкоомной подложке (см.
3 4-13). Основным преимуществом диодов Шоттки по сравнению с диодами с р-п переходом является тот факт, что у них огсутствует ннжекция неосновных носителей при прямом смещении, а значит, и явления накопления и рассасывания этих носителей. Соответственно инерционность диодов Шоттки обусловлена только барьерной емкостью контакта и может быть сделана несьма малой путем уменьшения размеров структуры. Типичный диапазон рабочих частот составляет 3 — 15 ГГц, а времена переключении доходят до 0,1 нс и менее.
Еще одним преимуществом диодов Шоттки является то, что вольт-амперная характеристика (2-33) сохраняется для них в гораздо более широком диапазоне токов, чем для обычного р-и перехода, поскольку отсутствует модуляция сопротивления базы деосновными носителямн. Например, логарифмическая зависимость (/ (1) может выполняться в диапазоне токов от 10 " до 10 4 А, т. е; на,протяжении восьми декад, что недостижимо в случае д-и переходов.
Следовательно, диоды!Поттки могут, по-видимому, использоваться и в качестве логарифмирующнх элементов. Обратный ток диодов Шоттки выражается формулой 1 14 =- — Чл ого, 4 где а, — граничная концентрация носителей в равновесном состоянии; иг — средняя тепловая скорость носителей (1-27).
Обратные токи могут составлять всего несколько пикоампер. Обратные напряжения лежат в пределах от 10 до 500 В. Значения прямых токов зависят, конечно, от площади структуры и качества теплоотвода. В настоящее время разработаны диоды Шоттки на прямые токи порядка 50 А.
При этом прямое падение напряжения составляет всего 0,5 В, т. е. примерно вдвое меньше, чем у обычных кремниевых диодов. Основным полупроводником, используемым в диодах Шоттки, является кремний. В качестве металлов используются молибден, нихром, золото, платияа (точнее, сплав платины с кремнием— силицид платины), а также алюминий — основной металл для омическнх контактов в интегральных схемах. Концентрация примеси в высокоомном эпитаксиальном слое, как правило, не превышает 10ьт см ', а толщина этого слоя обычно составляет несколько микрон. разумеется, при подборе металла в диодах Шотткя следует „читывать и контактную разность потенциалов |рмз (см.
табл. 2-1), и равновесный поверхностный потенциал гр,о, обусловленный поверхностными уровнями (см. зх 2-4), и такие технологические факиры, как одарения (степень спепления) металла с полупроводником, озможность присоединения внешних проволочных выводов и т. п, Глава ч»п»з»ржал 'ХРАВЗИСа ОРИ 4-1. ВВЕДЕНВ»оЕ Плоскостной транзистор, разработанный в 1949 — 1950 гг.
американским физиком В. Шокли 12, 241, — наиболее распространенный тип транзисторов. Он может с успехом выполнять как усилительные, так и ключевые функции, т. е. представляет собой универсальный элемент электронных схем. Транзистор представляет собой двухпереходный прибор (рис. 4-1).
Переходы образуются иа границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. Контакты с внешними электродами— р -ь~-~'- л омические. В зависимости от типа нроводимости крайних слоев раз- К личают транзисторы р-и-р и л-р-и со взаимно противоположными рабочими полярностями, что не имеет змкшшерл»л» о кол»мхшсрлм»» переход лзрзход аналогии в ламповой технике '. Чтобы не дублировать всех рассуж- рнс.
4-1. Упрек|си|за структудений и выводов, в дальнейшем бу- рз тра»»зистора. дем рассматривать только транзисторы р-п-р. Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны иа рис. 4-2. Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой — змииипером. Такое название, как и у диодов, отражает факт инжекции неосновных носителей через переход.
Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется р,, °, |не» р»»» — Ч » ч, р троны и полярности получаются такие же, как у электронных ламп. В транзисторах типа р-и-р рабочими носителями являются дырки и полярности ~чхпветствуют воображаемой познтроиной лампе. В микроэлектронике (в крем"невых интегральных микросхемах) главную роль играют и-р-л транзисторы. Тот фант, что ниже в основу анализа положены транзисторы р-л-р, обьясняется чисто историческими причинами: 1-е издание данной книги вышло когда микроэленФро»»ика только заро|кдалас|ч а в электронной технике г подав алн гермапиевые р-л-р ранен ры- Б Рис.
4-3. Реальная структура сплавного бездрейфового (диффузионного) транзистора. Рис. 4-2. Условнне обозначения траизис. торов. о — трав»астор р-л-р; б — тра»»астор о-р-л. метричностью реальной структуры (рис. 4-3, 4-36), а также различием материалов змитгера и коллектора в большинстве типов транзисторов нормальное и инверсное вклгочения неравноценны, в чем мы убедимся позднее.
Транзистор иногда работает и в таком своеобразном режиме, когда оба перехода смещены в прямом направлении. При этом, по существу, имеют место двусторонняя инжекция и двустороннее «собирание» неосновных носителей. Если функция инжекции превалирует на обоих переходах, транзистор превращается в двойной диод.
Однако чаще на одном из переходов (обычно коллекторном) превалирует функция «собирання», и тогда ток через него протекает в направлении„не соответствующем полярности смещения. Такой режим называется резггило»г насыщения по причинам, которые рассматриваются в гл. 15. Из всего сказанного следует, что транзистор является системой двух взаимодействующих р-и переходов и что непременным условием такого взаимодействия является достаточно малая толщина базы (го <".
1„где 1, — диффузионная длина неосновных носителей). Основные свойства транзистора определяются процессами в базе, и нм в дальнейшем будет уделено главное внимание. Характер движения инжектироваиных носителей в базе в общем случае заключается в сочетании диффузии и дрейфа. Электрическое поле, в котором происходит дрейф, может быть результатом высокого уровня иижекции (см.
$2-8), а также результатом неоднородности Это название отражает функцию «собирания» нижектированных носителей, прошедших через слой базы. Для того чтобы такое «собирание» было возможно, база должна иметь достаточно малую толщину га. В противном случае инжектированные носители успеют рекомбинировать в процессе перемещения через базу, что мы видели на примере диодов с толстой базой (см. рис. 2-19). Необходимо подчеркнуть, что транзистор представляет собой, вообще говоря, о б р а т и м ы й прибор, т.
е. эмиттер и коллектор можно поменять местами, сохранив в той или иной мере работоспособность прибора. Такой вывод вытекает из однотипности крайних слоев. Однако, в связи с несим- оя (см. Рис. 1-!7, а). Последний случай имеет особенно большое значение, так как собственное поле неодтчородного полупроводника обусловливает дрейфовый механизм движения носителей независимо ст уровня инжекцни. Транзисторы без собственного поля базы называются д»итхт рзиопиими или б дрей в овы.чи, а с собственным ,юлем — дрей((юбасии. Оба названия отражают главный механизм перемещения носителей, хотя, как правило, диффузия и дрейф сочетаются.
Более просты для анализа бездрейфовые транзисторы, которым ниже уделено главное внимание. Особенности дрейфовых транзисторов будут рассмотрены в отдельном параграфе. * Выше подразумевалось, что оба напряжения (У, и У„) отсчитываются от базы, принятой за о с н о в и о й электрод, общий для входной и выходной цепей транзистора. Такое включение транзис- Х„ 3 Рис. 4-4. Схемы включения транзистора. с — с общей бе»ой; б — с тещам сметтером: в — с общем иоллектсром. тора (рис. 4-4, а), позволяющее строго и наглядно изучить его физические свойства и параметры, называют включением «с общей базой». Это включение будет в дальнейшем обозначаться буквами ОБ. Однако схема ОБ является не только пе единственно возможной, но даже не наиболее распространенной на практике.
Это обьясияегся рядом обстоятельств (например, отсутствием усиления тока), которые будут ясны из последующих глав. Основное применение в схемах находит другое включение транзистора, которое по вполне понятным гричинам называюг включением «с общим эмиттером» (рис. 4-4, б). Мы будем обозначать его буквами ОЭ. Препмущества схемы ОЭ также выяснятся в дальнейшем", однако можно сразу отметить, что она дает усиление по току, поскольку ток базы, являющийся для нее входным, гораздо меньше токов эмиттера и коллектора.
Третий вариант включения — схема <с общим коллектором» (ОК) — показан на рис. 4-4, в. Несмотря на практические недостатки, схема ОБ является Основой при рассмотрении физических процессов в транзисторе. оэтому именно она будет предметом анализа в ближайших парагРафах 4-2. ОСНОВНЫЕ НРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ На Рис. 4-3 показан разрез бездрейфового транзистора со сплавиы"и переходами (см. 4 4-13), имеющего дисковую структуру. По ""~ию с другими типам траизис оров сплавной транзистор наиболее прост и удобен для анализа. База этого транзистора однородна, поэтому механизм движения носителей — диффузионный.
Удельные сопротивления слоев эмитгера и коллектора практически одинаковы, так что фактором, обусловливающим асимметрию транзистора, является только различие площадей Я, и Я Асимметрия транзистора преследует ту цель, чтобы дырки, ийжектируемые эмиттером и диффундирующие под некоторым углом к оси транзистора, по возможности полнее собирались коллектором.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
