4.5. Полупроводниковые триоды (транзисторы)

Полупроводниковый триод является анализом трехэлектродной лампы и состоит из двух p-n переходов. На рис. 4.7 представлена структура транзистора и протекающего через него точки.

Рис. 4.7. Транзистор p-n-p при включенных источниках питания

Показанный на рис. 4.7 транзистор состоит из трех областей: Ip, IIp и IIIp.

Область Ip называется эмиттерами и состоит из полупроводника p-типа. Основными носителями заряда для дырки являются имеющие положительный заряд.

Область IIp называется базой и состоит из полупроводника n-типа. Дырки, попавшие в область базы, для полупроводника базы являются неосновными носителями заряда. Как видно на рис. 4.7, p-n переход «база-эмиттер» из-за источника питания U_э смещен в прямом направлении. В результате ток дырок из области эмиттера легко преодолевает барьерный потенциал p-n перехода «эмиттер-база». Концентрация дырок, которые в полупроводнике базы стали неосновными носителями заряда, быстро возрастает. В материале базы дырки двигаются диффузно и непрерывно рекомбинируются с электронными, которые здесь являются основными носителями заряда.

В транзисторах область базы технологически сделана настолько тонкой, что большинство дырок, попавших в базу из области эмиттера и перемещаясь в ней диффузно, проходят ее без рекомбинации и достигают второго p-n перехода на границе база-коллектор.

Коллектор транзистора – это область IIIp. Она состоит из полупроводника p-типа. Второй переход (см. рис. 4.3), т.е. n-p переход «база-коллектор», смещен в обратном направлении. Поэтому дырки, попавшие в область базы из эмиттера и не успевшие на границе области «база-коллектор» рекомбинироваться, базой втягиваются в область IIIp, так как обратное напряжение способствует их переносу.

Мы рассмотрели достаточно сложную систему из нескольких полупроводников, подключенных к источникам питания в прямом и обратных направлениях, которая технологически непросто реализуется (за счет требования очень тонкой области базы). На что способна эта система? Внимательно повторив приведенные рассуждения, возвращаясь к рис. 4.7, придем к выводу о том, что получим возможность электрическим путем управлять током через транзистор. Входной сигнал подключается между эмиттером и базой транзистора, а выходной сигнал можно снимать с выводов коллектора базы.

Так как эмиттерный переход смещен в прямом направлении, то его сопротивление мало и значительный по величине ток I_э возникает под воздействием невысокого напряжения. Этот ток почти полностью передается в коллекторную цепь, в которой включается сопротивление нагрузки.

Таким образом, создается возможность при помощи слабого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, управлять большим током в коллекторной цепи.

4.6. Полупроводниковые интегральные схемы

Идея технологической интеграции элементов электрических схем в кристалле полупроводника, приведшая к созданию интегральных схем (ИС), возникла в процессе применения группового метода изготовления транзисторов, освоенного в конце 50-х годов.

Сущность этого метода состоит в том, что на пластине кремния в едином технологическом процессе изготовляется мно­жество транзисторов. Затем пластина разрезается на сотни отдельных кристаллов, содержащих по одному транзистору, после чего они помещаются в корпуса. В процессе же изготовления схем приходилось выполнять обратную операцию – соединение этих транзисторов и других элементов схем в единую конструкцию при помощи пайки. Ясно, что применение такой технологии производства электронной аппаратуры в большинстве случаев нерационально.

При использовании принципа интеграции на полупроводниковой пластине вместо отдельных транзисторов создаются все компоненты, необходимые для построения некоторого функционального узла (транзисторы, диоды, резисторы и т. п.), а также соединения между ними, причем соединения выполняются в виде металлических полосок, напыляемых на поверхность пластины. Для этого необходимо, чтобы выводы электродов всех компонентов схемы находились в одной плоскости. Такую возможность обеспечивает специальная технология изготовления ИС, называемая и планарной.

Таким образом, интегральной схемой (микросхемой) называется изготовленное в едином технологическом процессе изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое. Раздел электроники, охватывающий вопросы исследования, разработки и применения ИС, называется микроэлектроникой.

При разработке радиоэлектронной аппаратуры на основе ИС отпадает необходимость в большом числе паяных соедине­ний. Благодаря этому резко уменьшаются габариты и масса (отсутствие корпусов и внешних выводов у компонентов схем) и существенно повышается надежность аппаратуры. За счет же исключения множества монтажных и сборочных операций зна­чительно уменьшается стоимость аппаратуры на ИС.

Интегральные схемы, элементы которых выполнены в по­верхностном слое полупроводникового кристалла, называются полупроводниковыми. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.

Помимо полупроводниковых существуют еще пленочные ИС, элементы которых выполняются в виде разного рода пленок, наносимых на поверхность диэлектрической подложки. Пленочная технология позволяет создавать только пассивные элементы. Если пленочную ИС дополнить активными компонентами в дискретном исполнении, то получается смешанная ИС, называемая гибридной.

Показатель степени сложности микросхемы К, определяемый числом содержащихся в ней элементов N, называется степенью интеграции, причем , где скобки обозначают округление до ближайшего целого в сторону увеличения.

Интегральные схемы малой степени интеграции 1 и 2 называются просто интегральными схемами (ИС). Средние (СИС) и большие (БИС) интегральные схемы имеют степень интеграции соответственно 3 и 4. Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) имеют степень интеграции 5 и более. БИС и СБИС составляют элементную базу современных ЭВМ, которые принято относить к четвертому поколению ЭВМ. Большая степень интеграции способствует дальнейшему повышению надежности ЭВМ и уменьшению их габаритов.

Технология полупроводниковых ИС основана на легировании пластины кремния (подложки) донорными и акцепторными примесями, в результате чего образуются слои с разными типами проводимости и р–n переходы. Отдельные слои используются в качестве резисторов, а р–n переходы – для создания транзисторов, диодов и емкостей. Характерная особенность полупроводниковых ИС – отсутствие среди их элементов катушек индуктивности (и тем более трансформаторов), поскольку планарная технология не приспособлена для их создания.

Омические контакты со слоями полупроводника, межэлементные соединения и контактные площадки для выводов создаются с помощью металлизации. Основным материалом для металлизации служит алюминий, который в условиях глубокого вакуума напыляется на поверхность изделия из парообразного состояния. После удаления пленки с отдельных участков остается нужная металлическая разводка.

Структуру ИС можно уяснить с помощью рис. 4.8а, на котором показана часть ИС, содержащая транзистор, диод и резистор. Электрическая схема этой части приведена на рис. 4.8б (квадратами обозначены контактные площадки).

а б

Рис. 4.8. Структура интегральной микросхемы: а – часть микросхемы, содержащая транзистор, диод и резистор; б – электрическая схема указанной части микросхемы

Полупроводниковые ИС обычно изготовляются групповым методом, при котором на одной пластине размещается множество одинаковых схем. После завершения всех операций пластина разделяется на отдельные кристаллы. Годные кристаллы далее монтируются в корпуса. Соединение контактных площадок на кристалле с выводами корпуса осуществляется с помощью тонких алюминиевых и золотых проволок.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие материалы называются полупроводниками?

2. Как влияет температура на электропроводность полупроводника?

3. Какие виды внешних воздействий приводят к разрыву электронов с атомами?

4. Какой вид связи между атомами называется ковалентной связью?

5. Как создается электронная проводимость в полупроводнике?

6. Какой электрон называется «электроном проводимости»?

7. Какой вид электрической проводимости называется дырочной?

8. Какой вид проводимости в материале полупроводника создают доноры?

9. Какой вид проводимости создают акцепторы?

10. Нарисуйте схему p-n перехода.

11. Как формируется электрическое поле в p-n переходе?

12. Чем отличается p-n переход от n-p перехода?

13. Каков механизм стабилизации напряженности электрического поля в p-n переходе?

14. Объясните возникновение динамического равновесия токов через p-n переход.

15. Нарисуйте график вольт-амперной характеристики p-n перехода. Объясните работу p-n перехода в различных областях графика этой характеристики.

16. Почему график вольт-амперной характеристики p-n перехода имеет нелинейный характер?

17. Объясните механизм лавинного пробоя p-n перехода.

18. Каким образом можно изменить емкость p-n перехода?

19. Почему проводимость p-n перехода сильно зависит от величины и знака приложенного к нему напряжения?

20. Схематично изобразите структуру транзистора и объясните его работу при включенных источниках питания.

21. Что понимается под рекомбинацией носителей тока в полупроводниках?

22. Для улучшения усилительных свойств транзистора необходимо увеличить или уменьшить толщину области базы?

23. Объясните назначение трех основных структур транзистора: эмиттера, базы и коллектора.

24. В чем заключается различие между p-n-p и n-p-n транзисторами?

25. Чем определяется величина напряжения база-эмиттер, при которой через транзистор начинает протекать ток?

26. Каким образом в транзисторе обеспечивается возможность при помощи слабого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, управлять большим током в коллекторной цепи?

27. В чем заключается идея технологической интеграции элементов электрических схем в кристалле полупроводника, приводящая к созданию интегральных микросхем?

28. В какой последовательности в интегральной микросхеме создается транзистор?

29. Какие интегральные микросхемы называются полупроводниковыми? пленочными? гибридными?

30. Определите понятие степени интеграции в микросхеме.