Биполярные транзисторы

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский государственный технический университет

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Микроэлектроника

Тема: Транзисторы

2009

Биполярные транзисторы

В отличие от полупроводниковых диодов биполярные транзисторы имеют два электронно - дырочных перехода. Основанием прибора служит пластина полупроводника, называемая базой. С двух сторон в неё вплавлена примесь, создающая области с проводимостью, отличной от проводимости базы. Таким образом получают транзистор типа n - p - n, когда крайние области являются полупроводниками с электронной проводимостью, а средняя - полупроводником с дырочной проводимостью, и транзистор типа p - n - p, когда крайние области являются полупроводниками с дырочной проводимостью, а средняя - полупроводником с электронной проводимостью. Нижнюю область называют эмиттером, а верхнюю коллектором. На границах областей с различной проводимостью образуются два перехода. Переход, образованный вблизи эмиттера, называется эмиттерным, вблизи коллектора - коллекторным. При использовании транзистора в схемах на его переходы подают внешние напряжения. В зависимости от полярности этих напряжений каждый из переходов может быть включён либо в прямом, либо в обратном направлении. Соответственно различают три режима работы транзисторов: режим отсечки, когда оба перехода заперты; режим насыщения, когда оба перехода отперты; активный режим, когда эмиттерный переход частично отперт, а коллекторный заперт. Если же эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный - в прямом, то транзистор работает в обращённом (инверсном) включении.

В основном транзистор используется в активном режиме, где для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении на базу транзистора типа p - n - p подают отрицательное напряжение относительно эмиттера, а коллектор смещают в обратном направлении подачей отрицательного напряжения относительно эмиттера. Напряжение на коллекторе обычно в несколько раз больше напряжения на эмиттере.

Классификация. Транзисторы квалифицируются по исходному материалу, рассеиваемой мощности, диапазону рабочих частот, принципу действия и т. д. В зависимости от исходного материала их делят на две группы: германиевые и кремниевые. Германиевые транзисторы работают в интервале температур от - 60 до + 78…85 градусов, кремниевые - от -60 до + 120…150 градусов. По диапазону рабочих частот их делят на транзисторы низких, средних и высоких частот, по мощности - на классы транзисторов малой, средней и большой мощности. Транзисторы малой мощности делят на шесть групп: усилители низких и высоких частот, малошумящие усилители, переключатели насыщенные, ненасыщенные и малотоковые ( прерыватели ); транзисторы большой мощности - на три группы: усилители, генераторы, переключатели. По технологическому признаку разделяют транзисторы сплавные, сплавно - диффузионные, диффузионно - сплавные, планарные, эпитаксиальные, конверсионные, эпитаксиально - планарные.

Обозначение типа биполярных транзисторов состоит из нескольких элементов. Первый элемент обозначает исходный материал, из которого изготовлен прибор: германий или его соединения - Г; кремний или его соединения - К; соединения галлия - А. Для транзисторов, используемых в устройствах специального назначения, установлены следующие обозначения исходного материала: германий или его соединения - 1; кремний и его соединения - 2; соединения галлия - 3. Второй элемент - подкласс полупроводникового прибора. Для биполярных транзисторов вторым элементом является буква. Третий элемент - назначение прибора. Четвёртый и пятый элементы - порядковый номер разработки и технологического типа прибора ( от 01 до 99). Шестой элемент - деление технологического типа на параметрические группы ( буквы русского алфавита от А до Я). Например, транзистор, предназначенный для устройств широкого применения, германиевый, низкочастотный, малой мощности, номер разработки 15, группа А - ГТ115А.

Наборы дискретных полупроводниковых приборов обозначаются в соответствии с их разновидностью и перед последнем добавляется букв С.

Обозначение типа транзисторов, разработанных до 1964 года, состоит из трёх элементов: первый - буква П (полупроводниковый триод, транзистор); второй - цифра (порядковый номер разработки); третий - буква, соответствующая разновидности транзистора данного типа. В обозначение модернизированных транзисторов входит буква М (например, МП101А, МП21В).

Полевые транзисторы. Общие сведения

Униполярный (полевой) транзистор представляет собой полупроводниковый трёхэлектродный прибор, в котором управление током, создаваемым направленным движением носителей заряда одного знака между двумя электродами, достигается с помощью напряжения (электрического поля), приложенного к третьему электроду. Электроды, между которыми протекает рабочиё ток, носят названия истока и стока, причём истоком считается тот электрод, через которые носители втекают в прибор. Третий электрод называется затвором. Изменение величины рабочего тока в униполярном транзисторе осуществляется путём изменения эффективного сопротивления токопроводящего участка, полупроводникового материала между истоком и стоками называемого каналом. В зависимости от типа проводимости полупроводникового материала канала различают униполярные транзисторы с p и n каналом. В качестве исходного материала обычно используются кремний и германий, вследствие чего одни полярные транзисторы называются кремниевыми, другие - германиевыми.

То обстоятельство, что управление величиной рабочего тока униполярных транзисторов осуществляется с помощью канала, дало им второе наименование - канальные транзисторы. Третье название того же самого полупроводникового прибора - полевой транзистор характеризует то, что управление рабочим током осуществляется электрическим полем (напряжением), а не электрическим током, как это имеет место в биполярном транзисторе. Эта последняя особенность униполярных транзисторов, дающая возможность получать очень высокое входное сопротивление приборов, исчисляемое десятками и сотнями мегом, и определила их основное распространённое название - полевые транзисторы. Это название широко используется в научно - технической и радиолюбительской литературе.

Следует отметить, что среди полевых транзисторов различаются два основных вида приборов - полевые транзисторы с p - n переходом между затвором и каналом и полевые транзисторы с изолированным затвором. Это различие обусловлено, с одной стороны, особенностями их изготовления, а с другой - своеобразием электрических характеристик и схем включения.

Принцип действия и устройство полевого транзистора с p - n переходом

Примесь n типа заряд (З) Продольный

Исток (И) Сток (С) разрез полевого транзистора с p каналом и p n переходом.

Кристалл p типа

Канал

p- n переход

Продольного разреза полевого транзистора с p каналом и p - n переходом. Как видно из этого рисунка, основой является малозаметная пластина полупроводника определённой проводимости ( в данном случае p типа), имеющая на противоположных концах два контакта, исток и сток, обозначённые сокращённо буквами И и С. Толщина пластинки в месте установки третьего электрода - затвора делается очень и очень малой, равной всего нескольким единицам или десяткам микрон. Электронно - дырочный переход получается путём вплавливания или диффузии соответствующей примеси, а управление сопротивлением канала производится за счёт изменения объёма канала полупроводника обеднённого основными носителями или подаче запирающего напряжения на переход. Изменение сопротивления приводит к изменению тока через транзистор. На рис. 1 область, обеднённая носителями, ограничена пунктирной линией.

Своеобразная форма и изменение объёма обеднённой области канала обусловлены тем, что канал транзистора делается из материала с малой концентрацией примеси, высокоомного, тогда как затвор - из материала с большой концентрацией примеси, низкоомного. Поэтому слой обеднённый подвижными носителями заряда, распространяется в область канала, расширяясь по направлению к стоку. Последнее объесняется тем, что величина запирающего напряжения для p - n перехода полевого транзистора возрастает с увеличением расстояния от истока и имеет максимальную величину у стокового конца. Связано это с влиянием дополнительного падения напряжения в канале при прохождении через него тока стока. Отсюда характерная форма обеднённого слоя на участке вблизи стока, вследствие чего ток стока может протекать только через ту часть канала, где ещё присутствуют основные носители заряда.

На рис. 2 изображена зависимость проходного сечения канала полевого транзистора с p - n переходом от напряжения смещения между затвором и истоком (а) и истоком и стоком (б). Как видно из рис.26, а, увеличение

Затвор Сток

Область, обеднённая

носителями

Канал зарядов Канал

а б

Рис. 1. Зависимость профиля проходного сечения полевого транзистора с p - n переходом от напряжения смещения между затвором и истоком (а) и истоком и стоком (б)

Напряжения смещения перехода приводит к расширению области обеднённого слоя. Увеличение же напряжения питания, подаваемого между стоком и истоком, согласно рис.1, б, наоборот, сжимает её, делая клиновидной. И если первый фактор способствует уменьшению тока, то второй - его увеличению.

3,0 3,5

I II III

2,5 3

2,0 2,5 Rc=0 Rc=5к

Rc=0 2

1.5 Rc=5ком 1,5 Rc=15к

1.0 Rc=15ком 1 Ic

0,5 0,5

0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 6

Рис. 2. Выходная вольт-амперная Рис. 4. Зависимость тока стока от характеристика полевого транзистора напряжения затвора полевого транзистора

Сказанное выше позволяет объяснить своеобразный ход вольтамперных характеристик стока при различных величинах напряжения смещения на затворе относительно истока, примерный вид которых показан на рис. 3. Так, когда напряжение смещения равно нулю, область обеднённого слоя минимальна, площадь поперечного сечения канала максимальна, а поэтому ток стока растёт почти линейно по мере увеличения напряжения питания от нуля до некоторой величины, при которой начинает сказываться влияние тока стока на область обеднённого слоя. При дальнейшем повышении напряжения питания наступает насыщение канала и ток через него практически не меняется вплоть до наступления лавинного пробоя, который наблюдается при напряжении питания, равном обычно нескольким десяткам вольт.

При подаче небольшого запирающего напряжения область обеднённого слоя увеличивается в объёме, проходное сечение канала уменьшается, и, как следствие этого, снижается ток стока. В этом случае насыщение канала наступает при меньшем напряжении питания, чем это было при нулевом смещении. И, наконец, при подаче очень большого напряжения смещения, когда область обеднённого слоя почти полностью перекрывает канал, ток стока становится настолько малым, что его можно считать равным нулю. Напряжение смещения, при котором ток стока близок к нулю, называется напряжением отсечки и обозначается Uотс.

Принято считать, что на участке вольт - амперной характеристики, ограниченной пунктирной кривой и осью Ic (рис. 2), полевой транзистор ведёт себя как ламповый триод или омическое сопротивление. На участке, где характеристики идут практически параллельно оси напряжения питания, полевой транзистор аналогичен ламповому пентоду. Сокращённо эти области называют триодными и пентодными.

На рис. 2 видно, что в пентодной области величина тока стока определяется напряжением смещения и не зависит от напряжения стока, вследствие чего представляется возможным выразить зависимость тока стока от напряжения затвора в виде одной кривой, например, подобной той, что дана на рис. 3. Обе характеристики полевых транзисторов могут быть сняты с помощью лабораторной установки.

Основными параметрами вольт - амперной характеристик полевых транзисторов являются ток насыщения Iо, напряжение отсечки Uотс и крутизна S. По напряжению отсечки полевые транзисторы можно условно разбить на три группы: с малым (до 4 в), средним (4 - 8 в) и высоким (более 8 в) напряжением отсечки Uотс.

Крутизной вольт - амперной характеристики называется отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения затвора, измеряемое в миллиамперах на вольт (ма/в), то есть

На рисунках 2 и 3 видно, что крутизна зависит от напряжения затвора и максимальна при нулевом смещении. Это максимальное значение обычно обозначается как Sо. Величина крутизны при иных значениях напряжения затвора может быть определена для современных типов транзисторов по приводимой ниже формуле

Из приведенных выше графиков и формул следует, что при напряжении затвора, равном или большем напряжения отсечки, крутизна равна нулю, то есть полевой транзистор перестаёт управлять рабочим током.

Необходимо иметь в виду, что величина Sо и Iо связаны между собой простым соотношением

ма

Это значит, что максимальное значение крутизны численно в 2 - 2,5 раза меньше тока насыщения. Следовательно, для получения более высокой крутизны требуется увеличение тока насыщения.

Принцип действия транзистора

В отсутствии смещений (U_З =0, U_С =0) приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен дырками из-за наличия ловушек на границе кремний - оксид кремния и наличия положительных ионов в пленке диэлектрика. Соответственно энергетические зоны искривлены вниз, и начальный поверхностный потенциал положительный. По мере роста положительного напряжения на затворе дырки отталкиваются от поверхности. При этом энергетические зоны сначала выпрямляются, а затем искривляются вниз, т.е. поверхностный потенциал делается отрицательным.

Существует некоторое пороговое напряжение , по превышении которого энергетические зоны искривляются настолько сильно, что в близи поверхностной области образуется инверсный электрический сой, именно этот слой играет роль индуцированного канала.

1.1 Равновесное состояние

Рисунок 1.1 - Равновесное состояние

Т.к. U_З =0, то контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником равна нулю, то энергетические зоны отображаются прямыми линиями. В таком положении уровень Ферми постоянен при U_З =0, полупроводник находится в равновесном состоянии, т.е. pn = p_i² и ток между металлом и полупроводником отсутствует.

1.2 Режим обогащения (U_З >0)

Если U_З >0, то возникает поле направленное от полупроводника к затвору. Это поле смещает в кремнии основные носители (электроны) по направлению к границе раздела кремний - оксид кремния. В результате на границе возникает обогащенный слой с избыточной концентрацией электронов. Нижняя граница зоны проводимости, собственный уровень и верхняя граница валентной зоны изгибаются вниз.

Рисунок 1.2 - Режим обогащения

1.3 Режим обеднения (U_З <0)

Если U_З <0, то возникает электрическое поле направленное от затвора к подложке. Это поле выталкивает электроны с границы раздела Si - SiO₂ в глубь кристалла оксида кремния. В непосредственной близости возникает область обедненная электронами.

Рисунок 1.3 - Режим обеднения

1.4 Режим инверсии (U_З <<0)

При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения U_З , увеличивается поверхностный электрический потенциал U_S . Данное явление является следствием того что энергетические уровни сильно изгибаются вверх. Характерной особенностью режима инверсии является, то что уровень Ферми и собственный уровень пересикаются.

Рисунок 1.4 - Режим инверсии

1- инверсия;

2- нейтральная.

1.5 Режим сильной инверсии

Концентрация дырок в инверсной области больше либо равна концентрации электронов.

1.6 Режим плоских зон

Рисунок 1.5 - Режим плоских зон

1 - обогащенный слой неосновными носителями при отсутствии смещающих напряжений изгибает уровни вниз.