Опубликовано

Все виды транзисторов

точечный транзистор

Смотреть что такое «точечный транзистор» в других словарях:

  • точечный транзистор — Ндп.точечно контактный диод Биполярный транзистор с точечными переходами. Недопустимые, нерекомендуемые точечно контактный диод Тематики полупроводниковые приборы EN point contact transistor DE Spitzentransistor FR transistor à… … Справочник технического переводчика

  • точечный транзистор — taškinis tranzistorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. point contact transistor; point to point transistor vok. Punktkontakttransistor, m; Spitzenkontakttransistor, m; Spitzentransistor, m rus. точечный транзистор, m pranc. transistor … Fizikos terminų žodynas

  • ТРАНЗИСТОР — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического тока и управления им. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов т.н. интегральных схем, где их размеры не… … Энциклопедия Кольера

  • Биполярный транзистор — Обозначение биполярных транзисторов на схемах Простейшая наглядная схема устройства транзистора Биполярный транзистор трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно… … Википедия

  • точечно-контактный триод — точечный транзистор; отрасл. точечно контактный триод Транзистор с точечными переходами … Политехнический терминологический толковый словарь

  • Изобретение транзистора — Основная статья: Транзистор Макет точечного транзистора Бардина и Браттейна. Треугольник в центре прозрачная призма, по рёбрам которой приклеены полоски фольги выводы коллектора и эми … Википедия

  • Шокли, Уильям Брэдфорд — Уильям Брэдфорд Шокли англ. William Bradford Shockley Шокли в 1975 году Дата рождения: 13 февраля 1 … Википедия

  • Алферов, Жорес — Депутат Госдумы РФ, вице президент РАН, лауреат Нобелевской премии Действительный член Российской академии наук, вице президент РАН, ректор Санкт Петербургского Академического университета РАН. Специалист в области физики полупроводников,… … Энциклопедия ньюсмейкеров

  • Радиоприёмник — Детекторный приёмник, 1914 г … Википедия

  • Леговец, Курт — Курт Леговец Kurt Lehovec Дата рождения: 12 июня 1918(1918 06 12) Место рождения: Ледвице … Википедия

Прохождение тока

Рассмотрим прохождение тока через полупроводники с разным типом проводимости, для упрощения пренебрежем током основных носителей. На рисунке представлены условные изображения прохождения тока через полупроводники с электронной и дырочной электропроводностью.

Рис. 3 Ток в полупроводниках с электронной и дырочной электропроводностью

На рисунке плюсами и минусами обозначены заряженные атомы кристаллической решетки. Электроны соответственно темные, дырки красные кружочки со стрелочками. Под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник n-типа с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости. В соединительных проводах полупроводника p-типа по прежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток следует рассматривать как движение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки. К положительному полюсу приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые перемещаются от правого края к левому. В электротехнике принято условное направление тока от плюса к минусу. При изучении электронных приборов удобнее рассматривать прохождение тока от минуса к плюсу, что, собственно, и является истинным направлением тока.

Точечные транзисторы

Первым прибором, позволившим получить заметное усиление тока, был точечный транзистор Браттейна и Бардина. Такой транзистор представляет собой кусочек германия n-типа, припаянный к металлическому основанию, которое играет роль базового контакта. Эмиттерным и коллекторным контактами служат две заостренные бронзовые проволочки, прижатые концами к противоположной стороне германиевого элемента (рис. 4). Если расстояние между такими точечными контактами достаточно мало (порядка нескольких десятков микрометров), то можно получить коэффициент усиления тока, превышающий единицу. Удовлетворительный эмиттер можно сделать почти из любого металла, но хороший коллектор обязательно должен содержать примесь n-типа. Коллекторные контакты формируются подачей на коллекторный вывод импульса сильного тока. При этом медь проволочки с большой скоростью диффундирует в материал n-типа коллектора (германий) и в небольшой области превращает его в материал p-типа. Медленно же диффундирующий материал примеси (скажем, фосфор) в непосредственной близости от контакта снова превращает материал в германий n-типа. В результате образуется структура pnpn-транзистора (транзистора с коллекторной ловушкой). Теория, объясняющая работу точечного транзистора образованием pnpn-структуры, оказалась наиболее приемлемой.

Рис. 4. Точечный транзистор, изображенный схематически. Две заостренные проволочки прижаты к полупроводниковому кристаллу n-типа (германий), припаянному к металлическому кристаллодержателю. 1 — латунный или иной кристаллодержатель; 2 — области p-типа; 3 — припой или золотой сплав (контакт базы); 4 — кристалл n-типа; 5 — эмиттерный точечный контакт (бериллиевая бронза); 6 — коллекторный точечный контакт (фосфористая бронза); 7 — область n-типа.

Точечные транзисторы были трудно воспроизводимы при изготовлении и неустойчивы во времени. Когда в 1949 Шокли опубликовал свою теорию транзистора сp-n-переходами, внимание исследователей переключилось на транзисторы с выращенными переходами. Транзисторы с выращенными переходами.Для изготовления первых точечных транзисторов использовался поликристаллический материал с неоднородными характеристиками. Для выращенных переходов требовались германий с содержанием загрязнений менее 1Ч10-8и технология, которая позволяла бы изменять содержание примеси на величину порядка 1Ч10-7.

Зонная очистка. Самый эффективный способ получения кристаллов германия нужной степени чистоты — метод зонной очистки (плавки) — был предложен в начале 1950-х годов У.Пфанном. По этому методу слиток германия, загрязненного примесями, длиной ок. 50 см помещается в графитовой лодочке в длинную горизонтальную кварцевую трубу, которая проходит через ряд нагревательных индукционных катушек. Каждая из них создает узкую зону расплавленного германия, перемешающуюся вдоль слитка со скоростью ок. 25 см/ч. Примеси вместе с движущимися зонами расплава перемещаются к концу слитка, где их собирают и удаляют в отходы. Германий, полученный таким методом, — это, пожалуй, самый чистый из существующих материалов. Далее требует решения вопрос о легировании германия в кристаллической форме.

Вытягивание кристаллов. Способ выращивания кристаллов путем вытягивания из расплава под названием метода Чохральского был известен с 1918, но лишь примерно в 1950 он был успешно применен в технологии полупроводников. Индукционная катушка, окружающая графитовый тигель с чистым германием, наводит токи в графите, нагревая тигель выше точки плавления германия. Все это устройство помещено в прозрачную кварцевую трубу, наполненную инертным газом, как правило аргоном, который защищает поверхность германия от газообразных загрязнений. В расплав вводится примесьn-типа, обычно в виде легированного германия, которая позволяет сформировать коллектор транзистора. Примесь быстро и равномерно распределяется по расплаву. В расплав опускают затравку в виде небольшого монокристалла и медленно вытягивают ее. Германий затвердевает на затравке, и за счет роста в боковом направлении образуется кристалл диаметром ~2,5 см. (Затравку и тигель с расплавом непрерывно вращают для равномерного перемешивания.) Когда образуется кристалл определенного диаметра, его наращивают еще немного и в расплав вводят небольшое количество примесиp-типа. Эта примесь компенсирует первоначальную примесь n-типа и, кроме того, образует новую область кристалла. Материал примеси p-типа быстро и равномерно расходится по расплаву, образуя тонкий слой базы p-типа. После этого еще добавляют примесь n-типа для образования эмиттера, а затем кристалл извлекают из расплава. Хорошие транзисторы получаются, как правило, при отношениях удельного сопротивления добавок примеси примерно 1:10.

Описанный метод плох тем, что из расплава может быть вытянут только один слиток, так как содержание примеси в конечном (эмиттерном) расплаве слишком велико, чтобы он мог служить исходным (коллекторным) расплавом для следующего слоя транзисторов. Но был найден остроумный метод, позволяющий устранить эту трудность.

Примеси накапливаются непосредственно перед перемещающейся в расплаве границей между твердым и жидким материалом. Степень накопления (концентрация) примесей зависит от скорости роста твердой фазы. Если доноры и акцепторы, введенные в жидкую фазу, таковы, что одни из них больше «предпочитают» твердую фазу, чем другие, то при вытягивании кристалла с чередованием ускорения и замедления образуются чередующиеся слои n- иp-типа, и в одном слитке можно получить целый ряд транзисторных слоев.

В результате на большом кристалле образуется полупроводниковаяnpn-структура, пригодная для изготовления транзисторов (сэндвич). Разумеется, таким же способом можно получать и слои pnp-типа. Сэндвич отпиливают от кристалла и разрезают в двух взаимно перпендикулярных направлениях на отдельные транзисторные элементы длиной ок. 3 мм с поперечным сечением 0,6ґ0,6 мм. Эти элементы протравливают для удаления повреждений, возникших при разрезании, и к концам припаивают выводы. Перемещая с помощью микроманипулятора заостренную проволочку толщиной 0,05 мм по поверхности германиевого элемента, электрически определяют участокp-типа проводимости базы и импульсом малого тока приваривают к нему базовый вывод.

У транзисторов с выращенными переходами также имеются существенные недостатки, ограничивающие возможности их применения. Коэффициент усиления таких транзисторов не очень велик. Частота, на которой возможно усиление, ограничивается толщиной базы и при толщине, равной 1 мм, не может быть больше ~5 млн. герц. Транзисторами с выращенными переходами можно пользоваться для передачи низкочастотных сигналов, но они непригодны для цифровых схем и для коммутации. Однако приборы такого типа подтвердили правильность теории и указали путь к более сложным и совершенным транзисторам.

Сплавные плоскостные транзисторы.Сплавной плоскостной транзистор представляет собой тонкую пластинку германия, в которую с разных сторон вплавлены два шарика из индия, образующих эмиттер и коллектор (рис. 5).

Рис. 5. Сплавной плоскостной транзистор типа pnp, показанный схематически в разрезе.

Представляет собой электронный ключ, который открывается и закрывается при изменении направления смещения. Разные варианты такого устройства применяются в компьютерах, телефонном оборудовании и радиоприемниках.

Зонное выравнивание.Исходный материал нужного качества получают методом зонного выравнивания, который можно считать разновидностью метода зонной очистки. В один конец графитовой лодочки помещают соответствующим образом ориентированный затравочный кристалл германия, прижатый к слитку поликристаллического Ge. В торце слитка со стороны затравки имеется прорезь с вложенными в нее небольшими пластинками германия (n-типа), легированного сурьмой. При помощи индукционной катушки осуществляют однократное прохождение по слитку расплавленной зоны материала, легированного сурьмой. На фронте охлаждения зоны остается ровно столько сурьмы, сколько нужно для получения требуемого удельного сопротивления базы n-типа. Такой метод дает слитки удовлетворительного качества длиной ок. 50 см и диаметром 3 см.

Транзисторы изготавливаются из слитков методами массового производства. Тонкие круглые германиевые пластинки шириной около 2,5 мм, тщательно протравленные для удаления повреждений, вызванных разрезанием, загружаются виброустройством в многогнездный держатель. Индиевые шарики засыпаются в распределитель, который кладет по одному шарику на каждую пластинку. Все устройство перемещается через водородную печь; при этом в пластинку вплавляется эмиттер. Затем пластинки переворачивают, и процесс повторяется с несколько более крупными шариками для коллектора. Водород нужен для очистки поверхности германия от окисла, чтобы индий хорошо ее смачивал. Длительность обработки в печи и температуру подбирают так, чтобы толщина базы составляла примерно 0,025 мм.

Кристаллическую ось германия выбирают таким образом, чтобы граница раздела между индием и германием была плоской и параллельной одной из кристаллических плоскостей германия. При этом два перехода, приближающихся друг к другу с противоположных сторон пластинки, оказываются параллельными и могут быть подведены очень близко друг к другу. При охлаждении германий снова кристаллизуется на исходной пластинке. Рекристаллизованная область теперь становится областью p-типа, так как она сильно легирована индием. К оставшемуся за ее пределами индию можно припаять выводы. Транзисторы npn-типа изготавливаются по аналогичной технологии, но в этом случае в исходный германий p-типа вплавляется ввод, легированный сурьмой.

Далее поверхность германия стабилизируют легким протравливанием в щелочном растворе. Затем транзистор высушивают в нагретом воздухе с контролируемой влажностью и герметизируют. Внутри герметического стеклометаллического корпуса имеется «геттерный» влагопоглотитель — обычно крупинка пористого стекла. Контроль за влажностью очень важен, так как коэффициент усиления и токи утечки готового транзистора сильно зависят от количества влаги на поверхности германия вблизи перехода.

Сплавной германиевый транзистор может служить хорошим электронным ключом (для диапазона низких и средних частот), так как сильно легированные области коллектора и эмиттера имеют очень низкое сопротивление (доли ома) и не ограничивают переключаемый ток. Однако его граничная частота тоже не превышает нескольких десятков мегагерц. К сожалению, такой транзистор непригоден для работы при высоких температурах (выше 70-80°C) из-за увеличения тока утечки (который удваивается при повышении температуры на каждые 12 К). Хотя на смену германиевому транзистору со сплавными переходами давно уже пришли кремниевые транзисторы, значительные количества их еще производятся для специальных применений, так как они сравнительно недороги и не требуют больших напряжений для смещения эмиттера в прямом направлении.

Диффузионные германиевые транзисторы. Уже на ранней стадии разработки транзисторов стало ясно, что для улучшения высокочастотных характеристик нужен другой метод контроля толщины перехода. Таким методом явился метод диффузии. Суть его в том, что полированная очищенная тонкая пластинка германия в течение двух часов выдерживается при 650°C под воздействием источника сурьмы. (Для защиты поверхности от загрязнений процесс проводится в атмосфере водорода.) В результате образуется базовый слой толщиной порядка 1 мкм. Алюминиевый эмиттер вплавляется на глубину ок. 0,5 мкм. На поверхность пластинки напылением в вакууме наносится базовый контакт в виде полоски, отстоящей на 12 мкм от эмиттерной. Затем германий вокруг двух полосок вытравливается так, что на пластинке остается ряд меза-структур, каждая из которых содержит активные элементы транзистора (рис. 6).

Рис. 6. Диффузионный микротранзистор, сформированный на поверхности довольно большого микрокристалла.

Тысячи таких микрокристаллов могут одновременно обрабатываться методом диффузии. 1 — базовая область p-типа; 2 — коллекторный переход; 3 — слой диоксида кремния; 4 — коллекторный контакт; 5 — микрокристалл кремния; 6 — вывод базы; 7 — эмиттерный вывод; 8 — электрическое соединение золото — кремний; 9 — металлический кристаллодержатель; 10 — напыленный электрод; 11 — эмиттерная область n-типа; 12 — эмиттерный переход.

При толщине базы 0,5 мкм номинальная граничная частота достигает 900 МГц, что значительно больше, чем у приборов прежнего типа. Этот успех позволил проектировать схемы, рассчитанные на высокочастотные транзисторы. Высокочастотные германиевые транзисторы нашли применение в электронных схемах спутников связи и в подводных кабелях. Однако для германия так и не были реализованы потенциальные возможности, предоставляемые, в принципе, диффузионным процессом, и он был вытеснен кремнием, у которого на много порядков величины меньше токи утечки. Поэтому кремниевые транзисторы могут работать при температурах до 150°С, а не до 70°С, как германиевые.

Биполярные планарные транзисторы.Современные кремниевые планарные биполярные транзисторы почти полностью вытеснили германиевые из схем на дискретных компонентах в электронной промышленности и широко применяются в интегральных схемах, где германий вообще не используется. (Термин «планарные» означает, что все переходы выходят на поверхность, где они могут быть защищены слоем диоксида кремния. Термин «биполярные» означает, что используются носители обоих типов — и электроны, и дырки, в отличие от полевых транзисторов, о которых будет сказано ниже.)

Появление современного транзистора стало возможным благодаря успешному развитию фотолитографии, диффузии и выращивания кристаллов. Вообще говоря, существуют два вида транзисторных структур — из объемного материала и эпитаксиальная. Первая создается просто на поверхности пластинки из «массивного» кремния. Такой транзистор имеет тот недостаток, что у него большое последовательное сопротивление коллектора, нежелательное в случае переключающего устройства. Этот недостаток отсутствует при использовании эпитаксиального материала — тонкого слоя кремния с высоким удельным сопротивлением (в котором может быть создана транзисторная структура), выращенного поверх толстого слоя сильно легированного материала.

xTechx.ru

Транзистор (transistor) – полупроводниковый элемент с тремя выводами (обычно), на один из которых (коллектор) подаётся сильный ток, а на другой (база) подаётся слабый (управляющий ток). При определённой силе управляющего тока, как бы «открывается клапан» и ток с коллектора начинает течь на третий вывод (эмиттер).

То есть транзистор – это своеобразный клапан, который при определённой силе тока, резко уменьшает сопротивление и пускает ток дальше (с коллектора на эмиттер). Происходит это потому, что при определенных условиях, дырки имеющие электрон, теряют его принимая новый и так по кругу. Если к базе не прилагать электрический ток, то транзистор будет находиться в уравновешенном состоянии и не пропускать ток на эмиттер.

В современных электронных чипах, количество транзисторов исчисляется миллиардами. Используются они преимущественно для вычислений и состоят из сложных связей.

Полупроводниковые материалы, преимущественно применяемые в транзисторах это: кремний, арсенид галлия и германий. Также существуют транзисторы на углеродных нанотрубках, прозрачные для дисплеев LCD и полимерные (наиболее перспективные).

Разновидности транзисторов:

Биполярные – транзисторы в которых носителями зарядов могут быть как электроны, так и «дырки». Ток может течь, как в сторону эмиттера, так и в сторону коллектора. Для управления потоком применяются определённые токи управления.

Полевые транзисторы – распротранёные устройства в которых управление электрическим потоком происходит посредством электрического поля. То есть когда образуется большее поле – больше электронов захватываются им и не могут передать заряды дальше. То есть это своеобразный вентиль, который может менять количество передаваемого заряда (если полевой транзистор с управляемым p—n—переходом). Отличительной особенностью данных транзисторов являются высокое входное напряжение и высокий коэффи­циент усиления по напряжению.

Комбинированные – транзисторы с совмещёнными резисторами, либо другими транзисторами в одном корпусе. Служат для различных целей, но в основном для повышения коэффициента усиления по току.

Подтипы:

Био-транзисторы – основаны на биологических полимерах, которые можно использовать в медицине, биотехнике без вреда для живых организмов. Проводились исследования на основе металлопротеинов, хлорофилла А (полученного из шпината), вируса табачной мозаики.

Одноэлектронные транзисторы – впервые были созданы российскими учёными в 1996 году. Могли работать при комнатной температуре в отличии от предшественников. Принцип работы схож с полевым транзистором, но более тонкий. Передатчиком сигнала является один или несколько электронов. Данный транзистор также называют нано- и квантовый транзистор. С помощью данной технологии, в будущем рассчитывают создавать транзисторы с размером меньше 10 нм, на основе графена.

Для чего используются транзисторы?

Используются транзисторы в усилительных схемах, лампах, электродвигателях и других приборах где необходимо быстрое изменение силы тока или положение вклвыкл. Транзистор умеет ограничивать силу тока либо плавно, либо методом импульс—пауза. Второй чаще используется для ШИМ-управления. Используя мощный источник питания, он проводит его через себя, регулируя слабым током.

Если силы тока недостаточно для включения цепи транзистора, то используются несколько транзисторов с большей чувствительностью, соединённые каскадным способом.

Мощные транзисторы соединённые в один или несколько корпусов, используются в полностью цифровых усилителях на основе ЦАП. Часто им требуется дополнительное охлаждение. В большинстве схем, они работают в режиме ключа (в режиме переключателя).

Применяются транзисторы также в системах питания, как цифровых, так и аналоговых (материнские платы, видеокарты, блоки питания & etc).

Центральные процессоры, микроконтроллёры и SOC тоже состоят из миллионов и миллиардов транзисторов, соединённых в определённом порядке для специализированных вычислений.

Каждая группа транзисторов, определённым образом кодирует сигнал и передаёт его дальше на обработку. Все виды ОЗУ и ПЗУ памяти, тоже состоят из транзисторов.

Все достижения микроэлектроники были бы практически невозможны без изобретения и использования транзисторов. Трудно представить хоть один электронный прибор без хотя бы одного транзистора.

>Компьютеры и транзисторы

Транзистор в компьютере

Все электронные компоненты компьютера построены на основе транзисторов. Принцип работы транзистора был открыт тремя учёными в конце 40-х годов, работавшими в компании Bell Labs. Этими учёными были Вильям Шоклей (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Вальтер Брэтнен (Walter Brettain). В 1954 году им была присуждена Нобелевская премия. Важность и значение открытия транзистора для дальнейших разработок в компьютерной отрасли равносильно открытию в своё время колеса и способов добычи огня.

Первый компьютер получивший название ENIAC (elecronic Numeracal Integrator and Computer), был разработан в начале 40-х годов.

Компьютер ENIAC на основе электронных ламп.

В то время не были изобретены транзисторы, поэтому компьютер был изготовлен на основе тысяч громоздких и неудобных вакуумных ламп, а для его размещения потребовалось несколько комнат. Вес достигал 27 тонн. Вакуумные лампы сильно нагревались, были очень ненадёжными и требовали много электроэнергии. Когда ENIAC включали — огни близлежащего города каждый раз тускнели. ENIAC выполнял всего несколько функций. Сегодня эти операции делает любой карманный калькулятор.

С момента изобретения первого транзистора был совершён огромный скачок вперёд в области компьютерной техники. Транзисторы — более простые в изготовлении, дешевле, легче, надёжнее и потребляют гораздо меньше энергии.

Первый транзистор заменял 40 электронных ламп, работал с большей скоростью, был дешевле и надёжнее.

Как можно заставить транзистор работать на нас? Говоря упрощённо, мы используем для этого программное обеспечение, которое и даёт указания компьютеру на включение и выключение транзисторов и в итоге приводит к решению поставленной задачи. В процессе выполнения любых программ происходит генерация последовательности электрических импульсов (цифровых сигналов) в виде наличия двух уровней напряжения. Данная последовательность и определяет работу транзисторов.

Естественно, чем более универсальным является программное обеспечение и чем больше транзисторов используется , тем более сложную и трудоёмкую работу может выполнить компьютер.

В компьютере транзистор работает как переключатель и состоит из трёх основных элементов: коллектора, эмиттера и базы. Предположим, что коллектор транзистора подключён к положительному полюсу 6 — вольтовой батареи, а эмиттер к отрицательному полюсу. Электроны не будут при этом проходить через транзистор (он закрыт). Но если мы подадим небольшое (открывающее) напряжение, на базу, то транзистор откроется и через него на участке коллектор-эмиттер пойдёт ток .

В компьютере используются миллионы транзисторов. Например процессор Intel core i7 содержит около миллиарда транзисторов.

Процессор Intel core i7 под микроскопом

Транзисторы в процессоре, на материнской плате, различных картах расширения и периферийных устройствах реагируют на цифровые сигналы, поступающие от других устройств.

Таким образом современный компьютер представляет собой набор электронных переключателей – транзисторов.

ЛЕКЦИИ ТВ / Глава 5 / Полевые транзисторы

Глава 5.

Полевые транзисторы.

  1. Введение.

Работа полевых транзисторов основана на использовании только одного типа носителей — основных (электронов или дырок). Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае, не играют принципиальной роли. Основным механизмом движения носителей является дрейф в электрическом поле.

Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно менять либо удельную проводимость полупроводникового слоя, либо его площадь. На практике используется и тот и другой способ, причем в основе обоих способов лежит эффект поля.

Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называется каналом. Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля. Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

Транзисторы с приповерхностным каналом имеют классическую структуру металл-диэлектрик-полупроводник. Их называют МДП-транзисторами. В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния SiO2), используется название МОП-транзисторы.

Транзисторы с объемным каналом характерны тем, что обедненный слой создается с помощью p-n перехода. Поэтому их часто называют полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Однако это название длинное и неудобное. Поэтому в литературе их просто называют полевыми транзисторами. Исходя из вышесказанного, можно предложить следующую классификацию полевых транзисторов, которая вместе с условными обозначениями представлена на рис. 5.1.

Рис.5.1.

Здесь: И – исток, С – сток, З – затвор. Функциональное назначение этих электродов будет описано ниже.

Рассмотрим основные различия между биполярными и полевыми транзисторами.

— В биполярных транзисторах существенную роль играют два типа носителей заряда: основные и неосновные.

— В биполярном транзисторе управление выходным током осуществляется с помощью входного тока базы или эмиттера, что неизбежно связано со сравнительно малым входным сопротивлением. В ряде случаев это не является недостатком, а скорее преимуществом. Например, при малом входном сопротивлении всякого рода наводки посторонних напряжений оказываются значительно меньшими, чем при высоком входном сопротивлении. Однако иногда крайне важно иметь очень большое входное сопротивление. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и на низких частотах переменного тока может быть очень большим: 1012 – 1013 Ом.

— Технология изготовления полевых транзисторов значительно проще, чем биполярных. Особенно важно, что полевые транзисторы в микросхемах занимают значительно меньшую площадь на один транзистор и потребляют гораздо меньший ток. Это позволяет создавать большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС).

— В биполярных транзисторах с увеличением температуры увеличивается число генерируемых неосновных носителей, а, следовательно, возрастает ток. В полевых транзисторах ток зависит от концентрации основных носителей и их подвижности. Концентрация зависит от степени легирования и не зависит от температуры. Вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки с ростом температуры подвижность носителей в канале падает, что приводит к уменьшению тока и крутизны характеристик транзистора. Полевой транзистор в отличие от биполярного транзистора, температурно устойчив, так как повышение температуры вследствие прохождения тока вызывает увеличение сопротивления канала. Наряду с полевыми транзисторами, в которых наблюдается уменьшение стокового тока с ростом температуры, выпускаются полевые транзисторы, у которых ток стока возрастает с повышением температуры, а также транзисторы, имеющие нулевой температурный коэффициент при некотором значении напряжения на затворе. Различный характер температурных характеристик объясняется тем, что изменение температуры влияет не только на подвижность носителей и связанное с этим объемное рассеяние, но и на поверхностное рассеяние в канале, имеющее обратную температурную зависимость. При температурах, близких к абсолютному нулю, кремниевые и германиевые биполярные транзисторы работать не могут, тогда как униполярные транзисторы работают.

Полевые транзисторы – наиболее распространенный сегодня класс транзисторов. На основе кремниевых МОП-транзисторов в настоящее время создаются сложные интегральные схемы: микропроцессоры, цифровые сигнальные процессоры, запоминающие устройства ЭВМ. Полевые транзисторы с барьером Шоттки используются для создания низко шумящих и мощных усилителей в СВЧ технике. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом используются в радиоэлектронике в качестве низко шумящих усилителей с высоким входным сопротивлением, электронных ключей, стабилизаторов тока и как резисторы, управляемые напряжением.

2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом.

Принцип действия. Схематическое изображение строения полевого транзистора с управляющим p-n переходом дано на рис.5.2.

Рис.5.2

В пластинке кристаллического кремния с проводимостью p-типа диффузией донорной примеси через окно в слое окисла SiO2 образована область с проводимостью n-типа. Затем в этой области диффузией акцепторной примеси образована область с проводимостью p-типа с сильным легированием. Последующими операциями в изолирующем слое окисла образованы окна для контактных электродов и с помощью металлизации созданы контакты и выводы электродов истока «И», затвора «З», стока «С» и подложки «п». Обычно подложка соединяется с истоком.

Между истоком и стоком сформирован проводящий канал n-типа. Толщина канала (обозначим ω) составляет порядка 1мкм, длина канала (L) несколько мкм, а ширина, перпендикулярная плоскости чертежа (Z) зависит от мощности транзистора. Структура полевого транзистора представлена нп рис. 5.3.

Рис.5.3.

Между каналом и затвором имеет место плоскостной p-n переход. Для нормальной работы транзистора этот переход должен оставаться запертым, поэтому напряжение на затворе относительно истока для канала n-типа должно быть отрицательным или равным нулю. Глубина обедненного слоя меняется в соответствии с общим выражением (U<0).

Чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой и тем соответственно меньше толщина канала ω. Таким образом, меняя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение канала. При наличии напряжения на стоке будет меняться ток стока, т.е. выходной ток транзистора.

Усиление мощности обеспечивается малой величиной входного тока. У полевых транзисторов входным током является обратный ток p-n перехода затвора. Для кремниевых p-n переходов небольшой площади обратный ток составляет до 10-11А и менее. Определим зависимость толщины и сопротивления канала от управляющего напряжения на затворе при нулевом напряжении на стоке. Толщина канала согласно рис. 5.3 можно записать следующим образом:

(5.1)

где — расстояние от днаn-слоя до металлургической границы перехода. Пренебрегая равновесной высотой потенциального барьера Δφ0 в выражении для глубины обедненного слоя , получаем зависимость толщины канала от напряжения на затворе:

(5.2)

Под Uзи здесь понимается модуль напряжения на затворе.

Из условия ω=0 можно найти напряжение отсечки, при котором обедненный слой перекрывает весь канал, и ток в канале прекращается:

(5.3)

Как видим, толщина рабочего слоя и концентрация примесиN в канале должны быть достаточно малы. В противном случае напряжение отсечки будет настолько большим, что полное управление током (начиная с нулевого значения) окажется практически невозможным.

Используя выражение для Uзиотс (5.3), толщину канала можно записать в следующей форме:

(5.4)

Такая толщина сохраняется по всей длине канала. Сопротивление канала в этом случае равно

(5.5а)

где z — ширина канала; ρ – удельное сопротивление n – слоя.

При Uзи =0 получается минимальное значение

(5.5б)

Например, при ρ=1Ом∙См, =2мкм и Uзи=0, R0=0,5кОм. При Uзи/Uзиотс=0.5 сопротивление R0 возрастает до 1,8кОм.

Статические характеристики. В рабочем режиме, когда Uс≠0, канал не является эквипотенциальным слоем; в разных точках потенциал различен: он меняется от Ux=0 около истока до Uх=+Uс около стока. Поэтому обратное напряжение на p-n переходе Uобр=Ux+Uзи будет увеличиваться в направлении от истока к стоку (рис.5.4.а). В наиболее узком месте (около стока) напряжение на переходе равно Uз+ Uс. С ростом Uс это напряжение, в конце концов, делается равным Uзиотс, толщина канала вблизи стока станет равной нулю, т.е. образуется «горловина» канала (рис.5.4б). В отличие от случая Uзи= Uзиотс это, разумеется , не приводит к отсечке тока, так как само «смыкание» является увеличением тока.

Рис.5.4

Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращения, т. е. резкое возрастание дифференциального сопротивления канала. При этом на кривой, которая называется стоковой характеристикой, начиная с некоторой точки H, получается практически горизонтальный участок (рис.5.5). Такой режим можно назвать насыщением, а напряжение Uсн, при котором он наступает, — напряжением насыщения. Эта величина получается из условия Uзиотс=Uсн+Uзи и равно

Uсн=Uзиотс-Uзи. (5.6)

а) б)

Рис.5.5.

Поэтому напряжение Uсн уменьшается с ростом Uзи.

В режиме насыщения, когда Uс> Uсн , потенциал «горловины» сохраняет значение Uсн (в противном случае канал должен был бы еще больше сужаться, что невозможно), но «горловина» сдвигается относительно стока (рис.5.4в). В режиме насыщения происходит модуляция длины канала по аналогии с эффектом Эрли в биполярных транзисторах.

В соответствии с изложенным принципом работы полевого транзистора его стоковые характеристики имеют вид, показанный на рис.5.5а.

Получим аналитическое выражение ВАХ полевого транзистора на крутом участке (линейная область). Для этого следует учесть, что сопротивление канала меняется вдоль оси х, поскольку меняется толщина канала ω. Функцию ω(х) получим, заменяя Uзи на Uзи+ Uх в формуле (5.4). Тогда падение напряжения на элементарном участке dx

Ток остается неизменным в любом сечении. Поэтому, разделяя переменные и интегрируя обе части соответственно в пределах от0 до Uс и от 0 до L, можно представить искомую функцию в следующем виде:

(5.7)

Здесь через Rk0 обозначено минимальное дифференциальное сопротивление канала (5.5б).

Ток стока в области насыщения получается подстановкой Uсн из (5.6) в (5.7):

(5.8)

Выражение (5.8) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью:

(5.9)

где — ток насыщения стока при Uзи=0.

В справочной литературе обычно указываются пределы изменения тока насыщения стока и пределы изменения напряжения отсечки.

Семейство стоко-затворных ВАХ характеристик представлено на рис.5.5б.

Важными особенностями ВАХ на рис. 5.5 состоят в следующем:

— ток протекает при нулевом напряжении на затворе;

— напряжение на затворе может иметь только одну полярность, в данном случае отрицательную. В противном случае напряжение на p-n переходе будет прямым, начнется инжекция неосновных носителей и транзистор перестанет быть униполярным прибором.

Малосигнальные параметры. В усилительной технике используются пологие участки ВАХ – область насыщения. Этой области свойственны наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления.

Малосигнальными параметрами являются:

  1. Крутизна характеристики:

(5.10а)

Она определяет влияние изменения напряжения на затворе на изменение тока стока. Числовое значение крутизны зависит от напряжения на затворе. С увеличением Uзи ток стока и крутизна уменьшаются. Беря производную от (5.9), находим значение крутизны в области насыщения:

(5.10б)

Вводя обозначение

, получаем (5.11)

Знак минус в определении крутизны обусловлен тем, что под Uзи понимается абсолютная величина. Заметим, что крутизна при нулевом напряжении на затворе (Uзи=0) равна максимальной проводимости канала, т.е.

(5.12)

  1. Выходное сопротивление

(5.13)

Согласно выражению (5.9) стоковый ток в области насыщения не зависит от напряжения сток-исток и должно быть равно бесконечности. Однако реальные стоковые характеристики имеют положительный наклон, что обусловлено модуляцией длины канала: с ростом Uси длина канала L уменьшается, уменьшается сопротивление канала Rk0, и ток стока несколько возрастает. Поэтому имеет конечную величину. Например, значение выходного сопротивления маломощных полевых транзисторов обычно лежит в пределах 10 – 100кОм.

3) коэффициент усиления:

. (5.14)

Параметры ,и связаны между собой соотношением .

  1. Цепь затвора характеризуется входным сопротивлением транзистора:

(5.15)

В качестве параметров указывают напряжение отсечки Uзиотс; ток насыщения стока при короткозамкнутом истоке и затворе (Uзи=0); емкости: затвор – сток Сзс, затвор – исток Сзи, сток – исток Сси, подложка — исток Спи, граничную частоту

, (5.16а)

где— постоянная времени цепи затвора.

Емкость затвора определяется как

(5.16б)

Из–за довольно высокой емкости затвора и низкой крутизны вольт-амперной характеристики кремниевые полевые транзисторы с управляющим p-n переходом имеют невысокую предельную частоту и применяются в основном для усиления сигналов в области низких и средних частот. Это объясняется невысокой подвижностью электронов в кремнии. Поэтому было предложено использовать новые полупроводниковые материалы с более высокой подвижностью электронов, в частности арсенид галлия (GaAs).

Чтобы сохранить основные преимущества полевых транзисторов (работа на основных носителях заряда) и использовать новые более перспективные материалы, была предложена другая конструкция полевого транзистора – полевой транзистор с барьером Шоттки. В настоящее время именно такую конструкцию имеют СВЧ полевые транзисторы из GaAs. В этих приборах с длиной канала 0,25 мкм получена граничная частота

Устройство полевого транзистора с барьером Шоттки качественно похоже на устройство рассмотренного выше полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Отличием является то, что в этом транзисторе затвором является контакт металл-полупроводник, а тонкий слой проводящего полупроводника с характерной концентрацией n≈ 3∙1017см-3 получен эпитаксиальным наращиванием на полуизолированную подложку, изготовленную из GaAs.

Подобно биполярным транзисторам, полевые транзисторы используют в трех основных схемах включения: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Усилительный каскад по схеме ОИ аналогичен схеме ОЭ. Схема ОС подобна эмиттерному повторителю и называется истоковым повторителем. Схема ОЗ аналогична схеме ОБ. Схема не усиливает тока, поэтому коэффициент усиления по мощности во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Эта схема имеет малое входное сопротивление, так как входным током является ток стока. Фаза напряжения при этом не инвертируется.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или металл-окисел-полупроводник (МОП).

Конструкция n-канального кремниевого транзистора с изолированным затвором показана на рис.5.6. На подложке p-типа проводимости диффузией или ионной имплантацией сначала создают две области n+-типа, которые будут служить истоком и стоком. После этого на поверхности кремния создается тонкий (толщиной d=15-1200А) изолирующий слой из собственного окисла (в транзисторах с МОП-структурой) или другого диэлектрика (в транзисторах МДП-структурой), на который затем наносится проводящий (металлический или поликремниевый) электрод – затвор.

Рис.5.6.

Такие транзисторы работают следующим образом. Пусть затвор соединен с истоком, т.е. Uзи=0. При этом канал отсутствует и на пути между стоком и истоком оказываются два встречновключенных p-n+ — перехода. Поэтому при подаче напряжения Uси ток в цепи ничтожно мал. Если на затвор подать отрицательное напряжение Uзи<0, то приповерхностный слой обогатится дырками; при этом ток мало изменится. Если же на затвор подавать все большее положительное смещение Uзи>0, то вначале образуется обедненный слой (объемный заряд акцепторов), а затем инверсионный слой электронов, т.е. проводящий канал. После этого ток стока принимает конечное значение и зависит от напряжения на затворе. Это и есть рабочий режим транзистора. Поскольку входной ток (в цепи затвора) ничтожно мал, получается значительное усиление мощности, гораздо большее, чем у биполярного транзистора.

Каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированными. Толщина этих каналов практически неизменная (1-2нм), поэтому модуляция его проводимости обусловлена изменениями концентрации носителей. Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжением, и обозначают U0. Длина канала L равна расстоянию между слоями истока и стока, а ширина Z – протяженности этих слоев (рис.5.6).

Если выбрать подложку n-типа, а слои истока и стока p+-типа, то получится транзистор с индуцированным каналом p-типа. Он характерен обратными полярностями порогового и рабочих напряжений: Uзи<0, Uси<0, U0<0.

Электронные схемы, в которых используется сочетание транзисторов с n- и p-каналами, называют комплементарными схемами.

В принципе механизм работы транзисторов с n- и p-каналами одинаковы. Однако есть и некоторые различия. Во-первых, n-канальные транзисторы более быстродействующие, так как подвижность их рабочих носителей – электронов примерно в три раза выше, чем дырок. Во-вторых, у n- и p-канальных транзисторов структура приповерхностного слоя в равновесном состоянии оказывается различной, и это отражается на величине порогового напряжения.

Различие в структуре приповерхностного слоя объясняется разным влиянием электронов, поступающих в него от донорных примесей, имеющихся в диэлектрике. В подложке n-типа эти электроны создают обогащенный слой, который препятствует образованию канала p-типа; соответственно, пороговое напряжение у p-канальных транзисторов увеличивается. В подложке p-типа те же электроны, рекомбинируя с дырками, создают обедненный слой, т.е. способствуют образованию n-канала; соответственно пороговое напряжение у n-канальных уменьшается.

Нередко концентрация электронов, поступивших из диэлектрика настолько велика, что в подложке p-типа образуется не только обедненный, но и инверсионный слой, т.е. n-канал. Поскольку такой канал существует при нулевом напряжении на затворе, его уже нельзя считать индуцированным (т.е. наведенным полем затвора). Значит, величина порогового напряжения теряет смысл. В транзисторах этого типа канал называется встроенным, а вместо порогового напряжения вводят параметр – напряжение отсечки. Это напряжение, при котором электроны равновесного инверсионного слоя отталкиваются от поверхности и канал исчезает. Такие транзисторы работают при обеих полярностях напряжения затвора: при положительной полярности канал обогащается носителями, и ток стока увеличивается, при отрицательной полярности канал обедняется носителями и ток стока уменьшается. Однако транзисторы с индуцированным каналом имеют гораздо большее распространение, хотя они работают только при одной полярности напряжения на затворе, — той, при которой возникает канал.

В дальнейшем рассматриваются только транзисторы с индуцированным n-каналом, как более перспективные.

Статические характеристики. Рассмотрим влияние тока на структуру канала. Если напряжение , Uси=0, то поверхность полупроводника эквипотенциальная, поле в диэлектрике однородное и толщина образовавшегося канала одинакова на всем протяжении (рис.5.7а). Если же , Uси>0, то протекает ток и потенциал поверхности возрастает от истока к стоку. Значит, разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока уменьшается. Соответственно уменьшаются напряженность поля в диэлектрике и удельный заряд электронов в канале. Поэтому сечение канала вблизи точки x=L сужается (рис.5.7б).

а) б)

Рис.5.7.

При некотором критическом напряжении на стоке, которое называют напряжением насыщения разность потенциалов между затвором и поверхностью в точке x=L делается равным 0. Одновременно в этой точке делаются равными нулю напряженность поля в диэлектрике и удельный заряд носителей в канале. Образуется так называемая «горловина» канала.

Напряжение насыщения имеет вид

(5.17)

После образования «горловины» канала ток в рабочей цепи практически перестает зависеть от напряжения на стоке – наступает насыщение тока, откуда название .

Аналитическое описание ВАХ с учетом аппроксимации можно представить следующим образом:

. (5.18)

Здесь b- удельная крутизна МДП–транзистора (один из его основных параметров):

(5.19)

где μ- приповерхностная подвижность носителей (она обычно в 2-3 раза меньше объемной подвижности); Z- ширина канала; L-длина канала; С0 –удельная емкость затвор-канал, определяет управляющую способность затвора, поэтому является одним из важных параметров МДП-транзистора:

(5.20)

где -толщина канала; ε- диэлектрическая проницаемость окисла.

Выражение (5.18) справедливо только при условии Uси<Uсн, т.е. на начальных крутых участках ВАХ (рис.5.8а). Если Uси>Uсн, то ток стока не меняется и остается равным тому значению, которое он имел при Uси=Uсн. Поэтому, подставляя (5.17) в (5.18), получаем выражение для области насыщения, т.е. для пологих участков ВАХ:

(5.21)

Этому выражению соответствует на рис.5.8б кривая с параметром Uсн.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *