Транзисторы

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) — полупроводниковый прибор с тремя или более выводами, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, коммутации сигналов и т.д. От электронных ламп, выполняющих те же функции, транзисторы отличаются малыми габаритами, высокой экономичностью потребления электрической энергии, большой механической прочностью и долговечностью, мгновенной готовностью к работе. Транзистор является важнейшим элементом современной электроники. По принципу действия транзисторы разделяются на два класса: биполярные и униполярные (полевые). В биполярных транзисторах ток в проводящей области содержит как положительные зарядоносители, так и отрицательные (электроны). В униполярных транзисторах ток через проводящую область определяется зарядоносителями только одного знака.

По мощности рассеяния Р_рас (допустимое значение мощности потерь, рассеиваемой транзистором без применения дополнительного теплоотвода), различаются транзисторы малой (Р_рас < 0,3 Вт), средней (0,3 Вт < Р_рас < 1,5 Вт)и большой мощности (Р_рас > 1,5 Вт). По диапазону частот различаются низкочастотные (предельно допустимая частота f < 3 МГц), среднечастотные (3 МГц < f < 30 МГц), высокочастотные (30 МГц < f < 300 МГц)и сверхвысокочастотные (f > 300 МГц)транзисторы.

Биполярные транзисторы (триоды) представляют собой кристаллы германия или кремния с тремя чередующимися областями электронного или дырочного типов электрической проводимости, разделенными двумя электронно-дырочными переходами (рис. 11, а, г). Таким образом, биполярный транзистор можно представить состоящим из двух диодов (рис. 11, б, д).

Рис. 11. Схема включения р-п-р транзистора по постоянному току

(а); схема замещения р-п-р транзистора (б); условное графическое

обозначение (в); схема включения п-р-п транзистора по постоянному

току (г); схема замещения п-р-п транзистора (д); условное

графическое обозначение (е)

В диоде (см. рис. 11, б), работающем в запирающем направлении, обратный ток — это ток неосновных носителей заряда. При изменении приложенного к диоду напряжения от весьма малых величин до пробивного напряжения этот ток практически остается неизменным и имеет относительно небольшую величину. Если к диоду, работающему в запирающем направлении, включать последовательно еще один диод, но в прямом направлении, то возможно увеличение обратного тока. Эта идея лежит в основе работы транзисторов. Условные графические обозначения транзисторов приведены на рис. 11, в, е.

Рассмотрим принцип действия плоскостных германиевых триодов. В триоде две области германия р-типаразделены слоем германия n-типа (см. рис. 11, а). С помощью электродов в виде металлических пластин, называемых эмиттером (Э), базой (Б)и коллектором (К),эти три области соединяются с внешней электрической цепью. Напряжение батареи, включенной между базой и эмиттером, снижает потенциальный барьер в р-n переходе от эмиттерной области к области базы, так как эта батарея включена в прямом (способствующем прохождению прямого тока) направлении. Напряжение батареи, включенной между базой и коллектором, увеличивает потенциальный барьер в р-п переходе от области базы к области коллектора, так как эта батарея включена в обратном (запирающем) направлении.

Снижение потенциального барьера между эмиттерной областью и областью базы вызывает движение дырок из области эмиттера в область базы (в область п). Ввиду малой толщины слоя п германия почти все дырки, прошедшие в этот слой из области эмиттера, продрейфуют через всю толщину слоя до следующего n-р перехода и свободно пройдут через этот переход в область коллектора, так как электрическое поле в этом переходе не препятствует, а, наоборот, способствует движению дырок слева направо. Этому движению дырок способствует и напряжение батареи, включенной между базой и коллектором.

В слое п будет иметь место рекомбинация некоторого количества дырок со свободными электронами этого слоя, что приведет к небольшому снижению тока в коллекторе, по сравнению с током в эмиттере, вследствие ответвления небольшой части тока эмиттера в базу. Кроме того, должен иметь место электронный ток из области базы в область эмиттера, но при правильном конструировании триода этот ток значительно меньше тока, обусловленного движением дырок. Электронный ток создает дополнительную составляющую тока через базу и, соответственно, несколько увеличивает ток в эмиттере.

Возможны три схемы включения транзисторов p-n-р типа и n-p-п типа с общей базой ОБ, с общим эмиттером ОЭ и с общим коллектором ОК (рис.12). Название схемы показывает, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей. Схемы включения транзисторов отличаются своими свойствами, но принцип усиления колебаний остается одинаковым.

Рис. 12. Схема включения с общей базой, общим эмиттером, общим, коллектором: а —р-п-р; б — п-р-п

В схеме с общей базой положительное приращение напряжения на входе ∆U_вх вызывает увеличение тока эмиттера I_э,что приводит к увеличению как тока коллектора I_к, так и напряжения выхода ∆U_вых причем ∆U_вых ˃˃ ∆U_вх. В схеме с ОБ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер-база, а нагрузка и источник питания — в цепь коллектор-база. Входное сопротивление схемы с ОБ незначительно (несколько Омили десятков Ом), так как эмиттерный переход включен в прямом направлении. Выходное сопротивление схемы, наоборот, велико (сотни кОм), так как коллекторный переход включен в обратном направлении. Малое входное сопротивление схемы с ОБ является существенным недостатком, ограничивающим применение ее в усилителях. Через источник входного сигнала в этой схеме проходит весь ток эмиттера, и усиления по току не происходит

(коэффициент усиления по току α = ). Усиление по напряжению и по мощности в этой схеме может достигать нескольких сотен.

В схеме с общим эмиттером ОЭ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер — база, а сопротивление нагрузки R_н и источник питания — в цепь эмиттер — коллектор, поэтому эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Входное сопротивление схемы с ОЭ больше, чем у схемы с ОБ, так как входным током в ней является ток базы, который много меньше тока эмиттера и тока коллектора. Это сопротивление составляет сотни Ом. Выходное сопротивление схемы с ОЭ может достигать 100 кОм. Коэффициент усиления по току β в этой схеме определяется как отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы при постоянном напряжении

на коллекторе , т.е . при U_к = const и может иметь значение β = 10 -100 для

различных транзисторов. Коэффициент усиления по напряжению K_U для схемы с ОЭ того же порядка, что и для схемы с ОБ.

В схеме с общим коллектором ОК источник входного напряжения включается в цепь базы, а источник питания и сопротивление нагрузки — в цепь эмиттера. Входным током является ток базы, а выходным — ток эмиттера. Коэффициент усиления по току для этой схемы K_i = / . Входное сопротивление схемы с ОК велико (десятки кОм), а выходное сопротивление незначительно, до (1-2) кОм. Коэффициент усиления по напряжению схемы с общим коллектором ОK K_U = 0,9 – 0,95, т.е. близок к единице, поэтому данную схему называют эмиттерным повторителем и используют для согласования отдельных каскадов усиления, источника сигнала или нагрузки с усилителем.

Свойства каждого транзистора определяются статическими ВАХ. Первое семейство характеристик — зависимость тока входной цепи (цепи управления) от напряжения между электродами транзистора, включенными во входную цепь I_б = f(U_эб) при U_эк = const (рис. 13, а).

В отличие от схемы с ОБ входные характеристики в схеме с ОЭ смещаются под действием коллекторного напряжения вправо вниз. При малых значениях напряжения между эмиттером и базой ток базы растет медленно вследствие большого сопротивления р-п перехода, которое с увеличением тока уменьшается. С увеличением U_эк необходимо повысить напряжение U_эб для того, чтобы ток базы остался неизменным. Второе семейство характеристик — зависимость тока выходной цепи от напряжения между электродами транзистора, включенными в выходную цепь I_к = f(U_эк) при I_б = const (рис. 13, б). Выходные характеристики показывают, что напряжение U_эk незначительно влияет на коллекторный ток I_к, так как в основном он зависит от тока базы.

Полевой (униполярный или канальный) транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором управление выходным током осуществляется электрическим полем изменением проводимости проводящего канала. Принцип работы основан на управлении движением носителей только одного знака (основных носителей), в отличие от биполярных транзисторов, в которых физические процессы связаны с движением носителей зарядов обоих знаков (основных и неосновных).

По проводимости канала полевые транзисторы делятся на два типа: транзисторы с каналом p-типа и n-типа.

Рис. 13. Статические характеристики транзистора типа р-п-р,

включенного по схеме с общим эмиттером: а — входные;

б — выходные

В зависимости от выполнения затвора полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим р-п переходом и изолированным затвором (МДП-транзисторы).

Полевой транзистор с р-п переходом состоит из полупроводникового материала п- или p-типа (рис. 14), образующего токопроводящий канал с двумя электродами.

Рис. 14. Условное обозначение полевого транзистора

с управляющим р-п переходом: с каналом п-типа (а);

с каналом р-типа (б)

Электрод, от которого при приложении напряжения начинают двигаться основные носители заряда, называется истоком, а электрод, к которому они двигаются, называется стоком. В центральной части канала с пластиной полупроводника создается р-п переход с выводом от наружной области. Наружная область р-п перехода является третьим электродом полевого транзистора и называется затвором.

Сопротивление канала зависит от материала полупроводника, концентрации примесей в нем, а также от его сечения и длины. Для эффективного управления каналом управляющий р-п. переход делают резко несимметричным, чтобы запирающий слой в основном располагался в толще полупроводниковой пластины (канала), т.е. концентрация основных носителей в затворе много больше, чем в канале.

Если приложить напряжение между стоком и истоком, то в цепи стока будет протекать ток I, величина которого при постоянных U_с и R_н зависит от сопротивления канала (рис. 15).

Рис. 15. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом

и каналом п-типа: а — схематическое устройство;

б — схема включения по постоянному току

Если между затвором и истоком, т.е. на р-п переход извне подать запирающее напряжение U₃, то под его воздействием увеличится ширина р-п перехода, что приведет к уменьшению проводимости канала, а следовательно, и к увеличению его электрического сопротивления. В результате уменьшится ток стока I_с. При некотором обратном напряжении сопротивление р-п перехода может настолько увеличиться, что токопроводящий канал окажется полностью перекрыт и величина тока стока обратится в нуль. Это напряжение U_3.п. называется пороговым напряжением отсечки. Таким образом, изменяя обратное напряжение U₃, можно управлять величиной выходного тока I_с. На этом принципе основано действие полевого транзистора.

Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора — это зависимость тока стока I_с от напряжения между стоком и истоком U_с при постоянных значениях напряжения между затвором и истоком U_з, I_с = f(U_с) при U_з = const (рис. 16, а).

Рис. 16. Характеристики полевого транзистора с управляющим р-п переходом: а — стоковые;

б — стоко-затворная

Рассмотрим стоковую характеристику при U_з = 0. При малых значениях U_с ток стока I_с изменяется почти пропорционально U_с. Наклон этого участка характеристики определяется сопротивлением полностью открытого канала. По мере увеличения U_с рост тока I_с замедляется вследствие уменьшения ширины стокового участка канала и значительного увеличения его сопротивления. В точке U_с = U_{с нас} (напряжение насыщения) ток стока достигает насыщения I_снас и дальнейшее увеличение напряжения почти не вызывает изменения тока I_с. При дальнейшем увеличении U_с = U_{с проб} возникает электрический пробой стокового участка р-п перехода, и ток I_с резко возрастает. Этот участок характеристики является нерабочим. Если на затвор подано обратное напряжение, то перекрытие канала наступает при меньших значениях напряжения стока.

Стоко-затворная характеристика I_с = f(U_з) при U_с = const полевого транзистора с управляющим р-п переходом приведена на рис. 16, б. Так как полевой транзистор обычно в усилительных каскадах работает при U_с = U_{с нас}, то рассмотрим характеристику I_с = f(U_з) для одного значения U_{с нас}. Для остальных значений U_с ˃ U_{с нас} характеристики I_с = f(U_з) практически не отличаются от характеристики, снятой при U_{с нас}. Изменение напряжения на затворе от порогового значения до нуля вызывает плавное увеличение тока стока вследствие увеличения проводимости канала.

Характеристика полевого транзистора по внешнему виду напоминает характеристики пятиэлектродной электронной лампы — пентода. Поэтому для расчета схем на полевых транзисторах используют методику расчета схем на электронных лампах, ранее уже разработанную.

В настоящее время широкое распространение получили полевые транзисторы с изолированным затвором — МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник), иначе их называют МОП-транзисторы (металл-окисел-полупроводник). Структура МДП-транзисторов широко применяется при изготовлении микроэлектронных приборов.

Физические процессы, происходящие в канальном транзисторе МДП-структуры, отличны от процессов, происходящих в канальном транзисторе с управляющим р-п переходом. Рассмотрим контактные явления, происходящие в поверхностном слое полупроводника структуры металл-диэлектрик-полупроводник при воздействии на него электрического поля (рис. 17).

Если к металлу подвести положительный вывод, а к полупроводнику — отрицательный вывод внешнего источника напряжения (рис. 17, а), то металл зарядится положительно, а полупроводник — отрицательно. В результате основные носители полупроводника — электроны — начнут притягиваться к поверхности раздела полупроводника и диэлектрика, а неосновные носители — дырки — отталкиваться от поверхности раздела.

Так как концентрация основных носителей в полупроводнике значительно выше, чем неосновных, то на границе раздела металл-полупроводник за счет избытка основных носителей образуется слой, обогащенный носителями зарядов с небольшим сопротивлением.

Если изменить полярность внешнего напряжения и подключить минус источника напряжения к металлу, а плюс — к полупроводнику (рис. 17, б), то металл зарядится отрицательно, а полупроводник — положительно. В этом случае основные носители — электроны — будут отталкиваться, а неосновные носители — дырки — притягиваться к границе раздела полупроводника и диэлектрика. При определенном значении напряжения концентрация основных носителей электронов в приконтактном слое, уменьшаясь, достигнет концентрации дырок. Уменьшение концентрации электронов до концентрации собственного полупроводника приведет к увеличению его сопротивления и образованию слоя, обедненного носителями заряда (обедненного слоя).

При увеличении отрицательного напряжения (рис. 17, в) электрическое поле между металлом и полупроводником усилится и более интенсивно основные носители —_: электроны — будут отталкиваться от границы раздела диэлектрика и полупроводника, и одновременно больше неосновных носителей — дырок — будет притягиваться к границе этого раздела, концентрация которых при определенном значении напряжения у границы раздела может стать больше, чем концентрация основных носителей. При этом в приконтактной области диэлектрик-полупроводник образуется слой с дырочной проводимостью, т.е. проводимостью, свойственной полупроводникам р-типа.

Рис. 17. Воздействие электрического поля на МДП-структуру п-типа и образование: а — обогащенного слоя; б — обедненного слоя; в — инверсного слоя

В этом случае говорят о возникновении инверсного слоя. Толщина инверсного слоя растет с увеличением абсолютного значения отрицательного напряжения. Таким образом, инверсный слой с высокой дырочной проводимостью ограничен с одной стороны диэлектриком, а с другой стороны — высокоомным слоем собственного полупроводника. Этот высокоомный слой можно рассматривать как запирающий слой р-п перехода, возникающий на границе раздела полупроводников с различными проводимостями. Все рассмотренное выше относительно полупроводника n-типа справедливо для полупроводника p-типа.

В МДП-транзисторах, в отличие от полевых транзисторов с управляющим р-п переходом, затвор изолирован от канала тонким слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика обычно используются окислы (например, SiO₂). МДП-транзисторы имеют две разновидности: с индуцированным каналом и встроенным каналом.

Основой МДП-транзистора с индуцированным каналом служит пластинка (подложка) из слаболегированного полупроводника — кремния с n-проводимостью (рис. 18, а). Сток и исток обладают проводимостью типа р. Электрод затвора изолирован от полупроводниковой области тонким слоем диэлектрика SiO₂.

Подложку обычно соединяют с истоком. Сток и исток с подложкой образуют два р-п перехода, а при любой полярности приложенного напряжения между стоком и истоком один из переходов оказывается включенным в обратном направлении, и ток стока практически равен нулю.

Если подать отрицательное напряжение между затвором и подложкой и постепенно увеличивать по абсолютной величине, то концентрация основных носителей на поверхности полупроводника начнет уменьшаться, и вблизи поверхности образуется слой,

Рис. 18. Устройство МДП-транзистора:

а) с индуцированным каналом; б) с встроенным каналом

обедненный основными носителями заряда. Однако это не приводит еще к образованию токоприводящего канала (см. рис. 17, б). При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения между затвором и подложкой и достижения некоторого порогового значения U_{з пор} у поверхности полупроводника образуется инверсный срок с проводимостью типа р (см. рис. 17, в), толщина которого увеличивается при увеличении отрицательного напряжения, подводимого к затвору.

Инверсный слой р-типа соединяет p-область стока и истока и образует токопроводящий канал между ними.

В этом случае, если между истоком и стоком приложено напряжение, то через канал протекает ток стока, величина которого будет зависеть от сопротивления канала. Пороговое напряжение затвора U_{з пор} аналогично напряжению отсечки полевого транзистора с управляющим р-п переходом. Так как возникновение и увеличение инверсной проводимости канала происходит при обогащении дырками поверхностного слоя полупроводника, то считают, что транзистор работает по принципу обогащения.

Если теперь на затвор относительно подложки подать положительное напряжение, то это приведет к еще большему обогащению электронами проводимости поверхности слоя полупроводника и обеднению дырками, токопроводящего канала между стоком и истоком не возникает. Поэтому транзистор по принципу обеднения канала не работает.

Другой разновидностью канального транзистора с изолированным затвором является МДП-транзистор с встроенным каналом (рис. 18, б). У транзистора этого типа канал, соединяющий сток и исток, получается технологическим путем и отличается тем, что имеет собственный проводящий канал. Эти транзисторы могут работать как в режиме обогащения канала, так и в режиме обеднения.

Таким образом, полевые транзисторы с встроенным каналом, в отличие от транзисторов с р-п переходом и индуцированным каналом, могут работать при нулевом, положительном или отрицательном смещении затвора. Для сравнения стоковые характеристики I_с = f(U_с) при U_з = const для полевых транзисторов с встроенным каналом показаны на рис. 19. Параметры полевых транзисторов на МДП-структуре определяются так же, как и параметры полевых транзисторов с р-п переходом.

На рис. 20 показаны условные обозначения МДП-транзисторов с изолированным затвором. Канал транзистора изображается штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная — встроенный.

Рис. 19. Стоковые характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом

Рис. 20. Условные графические обозначения МДП-транзистора с изолированным затвором:

а — каналом п-типа; б — каналом р-типа

Исток и сток изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу.

Полевые транзисторы всех типов имеют исключительно низкий уровень собственных шумов и большое входное сопротивление.