.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Полупроводниковые транзисторы

Типы транзисторов

Транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с электронно дырочными переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три или более выводов. Транзистор с двумя переходами и тремя выводами часто называют полупроводниковым триодом. Цепь одного из выводов транзистора является входной (управляющей), а цепь другого выходной (управляемой). Такой транзистор представляет собой систему  или , полученную в одном монокристалле полупроводника. Переходы p n делят кристалл на три области, причем средняя область имеет тип электропроводности, противоположный крайним областям. В транзисторе среднюю область называют базой, а крайние эмиттером и коллектором. Отделяющие базу переходы называют эмиттерным и коллекторным (рис. 14.1). Каждый из переходов транзистора можно включить в прямом или обратном направлении.

 

    

 Rк

 IЭ IБ IК

  +  +

 Ббаза, Кколлектор, Ээмиттер 

Рис. 14.1

У реального транзистора с плоскостными переходами площадь коллектора больше площади эмиттера. Такая конструкция позволяет коллектору собирать даже те неосновные носители заряда, которые передвигаются от эмиттера под некоторым углом к оси транзистора. Площадь эмиттерного перехода определяет активную часть базовой области.

В зависимости от механизма прохождения носителей заряда в области базы (от эмиттера к коллектору) транзисторы разделяют на бездрейфовые и дрейфовые. В бездрейфовых транзисторах перенос неосновных носителей заряда через базовую область осуществляется в основном посредством диффузии. Такие транзисторы обычно получают методом сплавления. В дрейфовых транзисторах в области базы путем специального распределения примесей создается внутреннее электрическое поле и перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется в основном посредством дрейфа. Такие транзисторы обычно получают методом диффузии примесей.

 Рабочими носителями заряда в транзисторе могут быть дырки или электроны. В соответствии с этим различают транзисторы  типа и транзисторы  типа.

14.2. Способы включения и статические характеристики транзистора

Транзистор можно включить в схему тремя различными способами. Они:

общей базой (рис. 14.2а);

общим эмиттером (рис. 14.2б);

общим коллектором (рис. 14.2в).

Рис. 14.2

Для схемы с общей базой ток колектора состоит из составляющей эмиттерного тока , которая имеет направление, противоположное току  и остаточного тока коллектора , который мало отличается от тока запирання диода: 

 , (14.1)

где А коэффициент усиления постоянного тока в схеме с общей базой

 , (14.2)

т.е. усиление постоянного тока в схеме с общей базой всегда меньше единицы.

 Ток коллектора  это ток запирання, который наблюдается при , т.е. если не подключен третий электрод эмиттер. Составляющая  может управляться током эмиттера , а остаточный ток  не зависит от тока эмиттера, т.е. образует неуправляемую часть тока. Для маломощных германиевых транзисторов остаточный ток примерно равен 10 мкА.

Зависимость  определим следующим путем. С учетом равенства

.  (14.3)

исключим ток  из (14.1) преобразовав (14.2)

 . (14.4)

Последнее уравнение (14.4) имеет структуру, сходную с (14.1). Коэффициентом усиления постоянного тока В для схемы с общим эмиттером теперь служит величина:

 , (14.5)

при этом ток коллектора:

  . (14.6)

Ток базы  усиливается в В раз. Например, если , то из (14.5) получаем , т.е. ток базы усиливается в 49 раз.

В схеме с общим эмиттером получается не только усиление напряжения, но и усиление тока.

Сравнивая три основних типа транзисторных схем приводим типичные значения коэффициентов усиления и сопротивлений, которые могут быть обеспечены при помощи этих схем (таблица 14.1).

 

Коэффициент усиления по току    

 

Коэффициент усиле   

ния по напряжению

Входное сопротивлени   

Выходное сопротивл   

Промышленностью выпускается ряд марок монокристаллического кремния электронного (Э) и дырочного (Д) типов проводимости.

Обозначение марки кремния в слитках состоит из нескольких элементов: первый элемент обозначает метод получения слитка — буква Б указывает на бестигельную зонную плавку, отсутствие буквы определяет метод выращивания из расплава (метод Чохральского); второй элемент обозначает группу по диапазону удельных сопротивлений: группы 1А, 2А — 2Д соответствуют высокоомным маркам диапазона (1–2000) Ом×см, группы 3А, 3Б соответствуют низкоомным маркам диапазона (5×10–3–1) Ом·см; третий элемент обозначает подгруппу (1–6) по номиналу удельного сопротивления, его разбросу по торцу и слитку, по плотности дислокаций; четвертый элемент определяет такие параметры качества, как диаметр слитка, диапазон диффузионных длин носителей заряда или времени их жизни и индексируется строчными буквами (а – е), м, н, (р – т), ф, ш; пятый элемент определяет материал, тип проводимости, легирующую примесь и состоит из трех букв, первая из которых для кремния есть К, вторая — буква, обозначающая тип проводимости, — Э или Д и третья — начальная буква легирующего элемента (А — алюминий, Б — бор, С — сурьма, М — мышьяк, Ф — фосфор, З — золото); шестой элемент — числовая дробь, числитель которой — удельное объемное сопротивление (Ом×см), знаменатель — диффузионная длина неравновесных носителей заряда (мм). Для задания свойств материала обозначение часто ограничивают укороченной формой, представляя в ней только пятый и шестой члены обозначения.

 Примеры обозначения:

1) КЭФ 4/0,1 — кремний электронного типа проводимости, легированный фосфором с номиналом удельного сопротивления 4 Ом×см, диффузионной длиной неравновесных носителей заряда 0,1 мм;

2) КДБ 10 — кремний дырочного типа проводимости, легированный бором с удельным сопротивлением 10 Ом×см, диффузионная длина носителей заряда не регламентирована.

Полное обозначение монокристаллического кремния иллюстрируется примером: 1А 5 б КДБ 7,5/0,1 — 80. Обозначением определен кремниевый высокоомный слиток (группа 1А), с удельным сопротивлением диапазона (1–15) Ом×см (подгруппа 5); допустимый диапазон разброса сопротивления ±20 % при плотности дислокаций не более 10 см–2 (индекс б); кремний дырочный легированный бором (КДБ); номинал удельного сопротивления 7,5 Ом×см; диффузионная длина неравновесных носителей 0,1 мм; заказной диаметр слитка, выращенного по методу Чохральского, 80 мм.

На предприятия, выпускающие микросхемы, кремний поставляется в виде монокристаллов соответствующего диаметра (100...200 мм) длиной 500...2000 мм.

Монокристалл кремния разрезают на пластины (подложки) толщиной 0,2...0,5 мм. Поверхность подложки чаще всего ориентирована вдоль кристаллографической плоскости {111}. Однако в ряде случаев целесообразно использовать кремниевые пластины с ориентировкой вдоль плоскостей {100} или {110}. По техническим условиям отклонение плоскости пластины от кристаллографических плоскостей не должно превышать 20¢.


На главную