2.4.5. Одноперехідний транзистор

Одноперехідний транзистор або двобазовий діод - це НП прилад з Однимр-и переходом. Його схематична конструкція і BAX наведені на рис. 2.22.

зона

негативного опору

/ £

а) б)

Рис. 2.22 - Одноперехідний транзистор: а) конструкція; б) вхідна BAX Шарр-типу має назву емітера, а області монокристала по обидва боки емітера, що мають електронну провідність, звуться базами. 3a-*йчай, довжина нижньої бази Б₂ набагато менша, ніж довжина верх-вьбї бази Б_г Якщо до контактів базових областей підімкнуги зовніш-*fo напругу із зазначеною на рис. 2.22 полярністю, то через обидві бази ЧРотікатиме невеликий струм - так званий струм зміщення.

Оскільки ділянка між базовими електродами має лінійний опір, то спад напруги на базових областях пропорційний їх довжині. Напруга на емітерному переході зумовлюється різницею потенціалів емітера та базової області Б₂. Якщо потенціал емітера не перевищує потен­ціалу бази Б_р то емітерний перехід зміщений у зворотному напрямку і через нього протікає невеликий зворотний струм. При зміщенні емі-терного переходу у прямому напрямку емітерний струм зростає і, при певному його значенні І_ЕІ) починається лавиноподібне зменшення опору бази £₂за рахунок проникнення носіїв заряду черезр-и перехід. Наслідком цього є зниження напруги емітера за одночасного зростан­ня емітерного струму - ділянка негативного опору на вхідній BAX (тут негативним змінам напруги відповідають позитивні зміни стру­му). При змінах зовнішньої напруги ІІ_ББ BAX зсувається, не змінюю­чи форми, як показано на рис. 2.22,6.

Наявність ділянки з негативним опором дозволяє використовувати одноперехідний транзистор у електронних ключах, генераторах, релей­них схемах і т. ін. Донедавна вони якнайширше використовувались в пристроях генерування імпульсів керування тиристорами, які ми роз­глянемо нижче.

2.5. Уніполярні (польові) транзистори

2.5.1. Загальні відомості

До класу уніполярних відносять транзистори, прийцип дії яких грун­тується на використанні носіїв заряду лише одного знаку (електронів або дірок). Керування струмом в силовому колі уніполярних транзис­торів здійснюється зміною провідності каналу, через який протікає струм під впливом електричного поля. Тому уніполярні транзистори ще нази­ваються польовими (ПТ).

Розрізняють ПТ з керуючим p-n переходом (з затвором у вигляді p-n переходу) та з ізольованим затвбром. Останні, в свою чергу, по­діляються на ПТ із вбудованим каналом та індукованим каналом. ПТ з ізольованим затвором належать до різновиду МДН-транзисторів:

ПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА IX СТИСЛА ХАРАКТЕРИСТИКА

конструкція «метал - діелектрик - НП». Коли в якості діелектрика використовують оксид кремнію: конструкція «метал - оксид - НП», ПТ називають відповідно МОН-транзистором.

Характерною рисою ПТ є великий вхідний опір (10⁸ - 10¹⁴ Ом).

Широкого розповсюдження ПТ набули завдяки високій технологіч­ності у виробництві, стабільності характеристик і невеликій вартості за масового виробництва.

2.5.2. Польові транзистори з керуючим ^-япереходом

Конструкція та принцип дії ПТ з керуючим^-и переходом пояснюєть­ся на моделі, наведеній на рис. 2.23.

канап

У такого ПТ канал протікання струму являє собою шар НП, на­приклад, л-типу, вміщений між двома^-и переходами. Канал має контакти із зовнішніми електрода­ми. Електрод, від якого починають рух носії заряду (у даному разі -електрони), називається витоком

Рис. 2.23 - ПТ з керуючим p-n переходом

В, а електрод, до якого вони руха­ються - стоком C.

НП шарир-типу, що створюють із n-шаром двар-и переходи, виконані з більш високою концентрацією основних носіїв, ніж п-шар. Обидва^-шари електрично з'єднані і мають зовнішній електрод, що називається затвором 3.

Вихідна напруга підмикається між стоком і витоком (U_CB), a вхідна напруга (керуюча) - між витоком та затвором (U), причому на за­твор подається зворотна щодо витоку напруга.

Принцип дії такого ПТ полягає у тому, що зі змінами вхідної напруги Ц_в змінюється ширина^-л переходів, які являють собою ділянки НП, збіднені носіями зарядів (запірний шар). Оскільки ^-шар має більшу концентрацію домішки, зміна ширини p-n переходів відбувається го­ловним чином за рахунок більш високоомного п-шару. При цьому змінюється переріз струмопровідного каналу, а отже і його провідність ¹ відповідно вихідний струм /_с приладу.

Особливість цього транзистора полягає у тому, що на провідність каналу впливає як керуюча напруга U_3B, так і напруга U_CB. Вплив на­пруг на провідність каналу ілюструє рис. 2.24, де заради спрощення не показані ділянки л-шару, що розміщені позар-п переходами.

Н а рис. 2.24,a зовнішню напругу прикладено лише у вхідному колі транзистора. Зміна напруги призводить до зміни провідності каналу за рахунок зміни на однакову величину його перерізу вздовж усього кана­лу. Та оскільки U_CB=Q, вихідний струм /_с=0.

а) б)

Рис. 2.24 - Вплив напруг на провщність каналу ПТ з керуючим р-лпереходом:

а) при U_CB=0\ б) при U_3B=0

Рис. 2.24,6 ілюструє зміну перерізу каналу під впливом лише напруги U_CB (U_3B=ff). Коли U_CB>Q, через канал протікає струм. Внаслідок цього виникає спад напруги, що зростає у напрямку стоку. Сумарний спад напруги ділянки стік-витікдорівнює U_cg. Відповідно, потенціали точок каналу вздовж нього неоднакові:зростають унапрямку стоку від нуля до U_cg. Потенціал точок р-області відносно витоку визначається по­тенціалом затвора відносно витоку і у даному випадку дорівнює нулю. У зв'язку із зазначеним зворотна напруга, прикладена до p-n пере­ходів, зростає у напрямку витік-стік і p-n переходи розширюються у напрямку стоку. Це явище призводить до зменшення перерізу каналу. Підвищення напруги U_CB викликає збільшення спаду напруги у каналі і подальше зменшення його перерізу, а отже, і провідності каналу. При певному значенні U_CB межі обох p-n переходів змикаються (див. рис. 2.21,6) і опір каналу стає великим.

Очевидно, що за сумарної дії U_CB та U_3B змикання p-n переходів відбувається швидше. При цьому у приладі діє автоматична система

ПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА IX СТИСЛА ХАРАКТЕРИСТИКА

керування, що забезпечує протікання фіксованого значення /_с - струм через канал не залежить від U_CB (відповідає режиму насичення).

Аналогічно працюють транзистори з каналом^-типу, лише полярність напруг повинна бути зворотною.

Нарис. 2.25 наведені умовні позначення ПТ з керуючимр-л переходом.

Роботу зазначених _

транзисторів визначають сім'ї BAX двох видів: сто- —

-^——- rj LJ

кові і стік-затворні. ^D

рактеристики

на рис. 2.26 показують

залежність струму стоку /_c ^

від напруги стік-витік за

фіксованої напруги за-

твор-витік:

Стокові (вихідні) xa- Р^ис- 2.25 - Умовні позначення ПТ з керуючим наведені Р~^п переходом: а) з каналом л-типу,

б) з каналом р-типу 3

^CB'\U^=const.

'3B

U _3B= 0 В UsB=-0,3B Uaa= -0,5 В L/3B= -0,8 В и_зв=-1,5В

На ділянці 1 (Oa} має- Mo велику залежність /_c n відвихідноїнапруги U_CB. Це неробоча ділянка Рис.2.26-СтоковіВАХПТзкеруючим НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА IX СТИСЛА ХАРАКТЕРИСТИКА

Для випадку використан- p-n переходом

ня приладу у якості підсилюючого елементу. Тут його використову­ють як керований резистор.

На ділянці 2 (ae} залежність вихідного струму від вихідної напруги мала-маємо насичення. Це робоча ділянка у режимі підсилення.

Ділянка 3 відповідає пробою приладу.

У точці а відбувається змикання^-л переходів (напруга U_CBa). При-чим вища напруга U_3B (абсолютна величина), тим швидше зми-p-n переходи.

Напруга на затворі, за якою струм вихідного кола /_с=0, називається ^вапругою запирання або напругою відтинання U_3Bg. Числове значення звоД°РІвнює U_CB у точці а BAX транзистора.

Стік-затворні (вхідні) BAX відображають залежність струму стоку від напруги затвор-витік за фіксованої напруги стік-витік:

- const'

Вхідна BAX зображена на рис. 2.27.

Параметри ПТ з керуючим p-n переходом:

Рис. 2.27 - Вхідна BAX ПТ з керуючим p-n переходом

- напруга відтинання V_{3B 0};

. .„ .

- внутрішній omp r/

максимальне значення струму стоку І_Стах (відповідає його значен­ ню у точці в на вихідних BAX при U_3B=0), сягає від десятків міліампер до одного ампера;

максимальне значення напруги стік-витік U_CBmm (задають у 1,2*1,5 рази меншим за напругу пробою ді­ лянки стік-витік при С/_зв=0), стано- витьдо 100 В;

If™ = const'

• крутизна стік-затворної характеристики S = . .. . dU_3B

- вхідний omp r_ev =

- const'

-, становить десятки мегаом.

dI₃

2.5.3. СІТ-транзистори

У середині 70-х років минулого століття багаторічні дослідження (Япо­нія, США) завершились створенням ПТ із статичною індукцією: СІТ-транзистора. Цей транзистор, будучи по суті ПТ зкеруючимр-л пере­ходом, є твердотільним аналогом електронновакуумної лампи - тріо­да, у якої вихідна характеристика при нульовому значенні сигналу керу­вання за формою нагадує характеристикур-и переходу. 3 ростом від'єм­ного значення напруги керування характеристики зсуваються вправо.

.

На відміну від ПТ з керуючим^-я переходом, у яких затвор має без­посередній електричний контакт із суміжною областю струмопровідно-го каналу, у МДН-транзисторів затвор, що являє собою, наприклад, алю­мінієву плівку (A1), ізольований від зазначеної області шаром діелект­рика. Тому МДН-транзистори відносять до класу ПТ з ізольованим затвором. Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір цих їранзисторів (10¹² * 10^І4Ом).

Частіше у якості діелектрика ви­користовують оксид кремнію (SiO,) ¹ тоді ПТ називають МОН-транзис-тором (метал - окисид - НП). Такі транзистори бувають із вбудованим •Індукованим каналами. Останні биІьш розповсюджені. '•Конструкція МОН-транзистора з

«Дукованим каналом л-типу зобра- р_ис. 2.29 - Конструкція MOH- *^ена на рис. 2.29. транзистора з індукованим каналом

ПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА IX СТИСЛА ХАРАКТЕРИСТИКА

,3ameqp

При U_3B = 0 або від'ємному, /_c = 0 (два p-n переходи увімкнені назустріч). При позитивній напрузі на затворі відносно витоку поверх­невий шар на межі НП з діелектриком збагачується електронами, які притягуються з глибини^-шару (де вони є завдяки тепловій генерації вільних носіїв заряду) до затвору: виникає явище інверсії НП у при-межовій зоні, коли р-шар стає л-шаром. Таким чином, між зонами и-шарів наводиться (індукується) канал, по якому може протікати струм від стоку до витоку.

Вихідні BAX ПТ з ізольованим затвором подібні до BAX ПТ з керу­ючим p-n переходом, тільки характеристики проходять вище зі збільшенням напруги U_w.

Умовні позначення МДН-транзисторів наведені на рис. 2.30.

р'шар-основа

а)

колектор

Б

В

Б

а) б) в) г)

Рис. 2.30 - Умовні позначення МДН-транзисторів з каналами:

вбудованим л-типу (а); вбудованим уО-типу (б); індукованим ^типу (в);

індукованим р-типу (г)

ПТ широко використовують як дискретні компоненти електронних пристроїв, а також у складі інтегральних мікросхем.