Твердотельная електроника / TTE_Lect1

Рисунок 10.12 – Розподіл концентрації донорних домішок у базі дрейфового БТ

Існують також дифузійно-сплавні транзистори, в яких області колектора і бази виготовляють шляхом дифузії домішок, а ЕП – вплавленням домішок. Розподіл концентрації донорів у базі таких транзисторів подібний до розподілу домішок у базі дрейфового транзистора. Різновидом таких транзисторів є меза - транзистор зі столоподібною структурою (рисунок 10.13).

Рисунок 10.13 – Структура меза - транзистора

Поширеним сучасним способом виготовлення високочастотних транзисторів є так звана планарна технологія, яка розглядатиметься докладно у курсі мікроелектроніки.

10.5 Потужні транзистори

Для потужних транзисторів ( P 1.5 Вт) характерне проходження через їхні області великих струмів. Це приводить:

- до зростання спаду напруги на rБ , внаслідок чого напруга

UЕБ буде лише частково прикладена до ЕП;

131

-до того, що спад напруги на ЕП виявляється нерівномірним, і це приводить до зростання густини емітерного струму біля краю емітера, в той час як середня частина емітера не працюватиме:

-до зміни умов на випрямлювальних контактах, що приводить до перерозподілу носіїв заряду в базі;

-до перерозподілу товщини КП з боку бази ( КПБ ) і з боку

колектора ( КПК ) - КПБ < КПК , що порушує нормальну роботу транзистора;

-до того, що з метою нормального підсилення потужності такі БТ необхідно розрахувати на більші напруги;

-до необхідності збільшення площ переходів;

-до необхідності ефективного тепловідведення з причини підвищення небезпеки теплового пробою.

При виготовленні потужних БТ використовують сплавну, дифузійно – сплавну (в так званих конверсійних транзисторах), а також планарну технологію. Конфігурація емітера таких транзисторів ускладнюється. З метою збільшення струмів збільшують площу ЕП, а для того, щоб струм емітера не витіснявся до краю переходу, емітер виготовляють у формі кілець, смуг, зубців. Для забезпечення

корпус з’єднують з базою).

Основним недоліком потужних високовольтних БТ є низький коефіцієнт передачі струму ( h21E 10). Тому для одержання потужних

ключових елементів застосовують складений транзистор (схема Дарлінгтона) – рисунок 10.14. Для такої транзисторної структури загальний коефіцієнт передачі струму бази

132

Рисунок 10.14 – Схема складеного транзистора

Завдяки цьому можна одержати коефіцієнт передачі струму до

сотні.

Потужні складені транзистори виготовляються на одному кристалі (рисунок 10.15)

Рисунок 10.15 – Структура однокристального складеного транзистора (а) та його електрична схема (б)

133

ЛЕКЦІЯ 11

ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ

Польові транзистори (ПТ) – це напівпровідникові прилади, в яких проходження струму зумовлене дрейфом основних носіїв заряду під дією поздовжнього електричного поля, а керування величиною цього струму здійснюється за допомогою поперечного електричного поля, яке змінює електропровідність струмопровідної ділянки напівпровідника. Це поле створюється напругою, яку прикладено до керувального електрода.

Існують два типи ПТ: польові транзистори з керувальним p-n- переходом (ПТУП) і польові транзистори з ізольованим затвором, що мають структуру метал – діелектрик – напівпровідник (метал-окис- напівпровідник) і називаються скорочено МДП (МОН) – транзисторами.

Другий елемент позначення ПТ – літера “П”.

11.1 Польові транзистори з керувальними p-n-переходами

ПТ з керувальним p-n – переходом (ПТУП) виготовляють з кремнієвого кристала n - або p - типу. Схемні позначення ПТУП показано на рисунку 11.1. До таких транзисторів належать прилади: КП 101, КП 102, КП 103, КП 201 – транзистори з p - каналом; КП 302, КП 303, КП 307, КП 312 – транзистори з n - каналом. Як бачимо з позначень, низькочастотні ПТУП мають канал p - типу, високочастотні

– канал n - типу. Справа в тому, що в p - каналі основні носії – дірки, а їх рухомість менша, ніж у електронів, які є основними носіями в каналах n - типу.

а) б)

Рисунок 11.1 – Схемні позначення ПТУП з n - каналом (а) і з p - каналом (б)

Схематично будова ПТУП з p - каналом показана на рис.11.2.

134

Рисунок 11.2 – Схематична будова польового транзистора з керувальним переходом і p - каналом

Транзистор складається з напівпровідникової області p - типу і двох областей n - типу. Останні з’єднуються разом і утворюють керувальний електрод – затвор. На межах поділу n - областей та p - області виникають високоомні запірні шари – керувальний p-n – перехід. Частина p - області між запірними шарами називається каналом. Під

дією джерела напруги Uсв у каналі утворюється поздовжнє електричне

поле, яке примушує дірки рухатися до “-” Uсв в напрямі від електрода,

що називається витоком, до електрода, який називається стоком. Отже,

в каналі і в зовнішньому колі стоку проходить струм стоку IC під дією

напруги на стоці стосовно витоку Uсв . На затвор стосовно витоку

подається напруги Uзв , яка зміщує p-n – переходи в зворотному

напрямі. У колі затвора проходить малий струм Iз .

Приклади конструкції ПТУП зображені на рисунку 11.3 (КП 102) та рисунку 11.4 (КП 103).

135

Рисунок 11.3 – Конструкція КП 102

Рисунок 11.4 – Фрагмент структури ПТУП КП 103

У рамках планарної технології (рисунок 11.3) засобом дифузії в приповерхневому шарі кремнієвого кристала n типу створюються

вузька область p типу (канал) і дві високолеговані області p - типу

(витік і стік). На ці області наносять тонку плівку з алюмінію, до якої припаюють виводи витоку і стоку.

Поверхню кристала покривають захисним шаром двоокису кремнію (SiO2 ). Затвором служить кристал-підкладка, до якого припаюють вивід керувального електрода. Всю конструкцію розміщають у герметичному металевому або пластмасовому корпусі.

Польові транзистори типу КП 103, на відміну від попередніх, мають п’ять паралельних каналів, біля кожного з яких розташований додатковий затвор 32 (першим затвором 31 є підкладка) – рисунок 11.4. Наявність п’яти каналів і додаткових затворів дозволяє збільшити струм стоку, а також підвищити ефективність керування товщиною каналу, оскільки перекриття каналу відбувається з боку затвора і зверху, і знизу.

136

Принцип дії ПТУП розглянемо за допомогою схематичного

зображення приладу на рисунку 11.2. При збільшенні напруги Uзв , яка

містить запірні шари у зворотному напрямі, ці шари розширяються. Товщина p-n – переходу зростає повністю у бік каналу, оскільки у ПТУП області затвора завжди високолеговані, а канал має низьку

концентрацію домішок ( NД3 NАК для транзистора з p - каналом).

Розширення керувального p-n – переходу приводить до зменшення ширини каналу, зниження його електропровідності і зменшення струму

через нього ( IC ) при незмінній напрузі. Отже, змінюючи напругу на

затворі Uзв , тобто змінюючи поперечне електричне поле, можна

ефективно керувати зміною струму стоку IC (величиною внутрішнього

опору транзистора.) Це найважливіша властивість польового транзистора в режимі підсилення сигналів. Саме вона зумовлює суттєву відмінність ПТ від біполярних транзисторів, яка полягає в наступному.

При зміні вхідної напруги ПТ Uзв змінюється лише поперечне поле, що керує інтенсивністю потоку носіїв через канал. Вхідний струм транзистора – струм затвора Iз - практично не змінюється як струм насичення p-n – переходу в зворотному вмиканні. Отже, внаслідок

слабкої зміни Iз при зміні затворної напруги, а також із причини

великого вхідного опору ПТ (малого струму Iз ) вважають, що

керування вихідним струмом приладу IC відбувається не за рахунок

зміни вхідного струму, як у БТ, а внаслідок зміни вхідної напруги, як у вакуумному тріоді. Великий вхідний опір усіх ПТ порівняно з біполярними – це суттєва перевага польових приладів.

Нехай стокова напруга Ucв =0. Тоді при зміні Uзв можна

досягти повного перекриття каналу внаслідок змикання запірних шарів. Канал у цьому випадку має дуже великий опір, а напруга, при якій це

Uзввідс є важливим параметром ПТУП. Оцінимо її, а також дослідимо вплив напруги Uзв на товщину каналу K .

Товщина p-n – переходу, як відомо з першого розділу

137

де RK (Uзв ) – опір каналу при даній напрузі затвора;

RK0 - опір каналу при Uзв =0.

Тепер нехай Ucв 0. Напруга, що діє на стоці ПТУП, викликає проходження через канал і в зовнішньому колі струму IC . Струм

стоку, проходячи через ненульовий розподільний опір каналу, створює на ньому спад напруги (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5 – До пояснення конфігурації каналу ПТУП при Ucв 0

На цьому рисунку вибрано переріз каналу на відстані їх від витоку. Падіння напруги U(x) пропорційне до величини опору ділянки

напрям, що і напруга Uзв , і її дія на p-n – перехід еквівалентна дії

додаткової зворотної напруги.

На підставі цього можна одержати залежність ширини каналу від координати x, тобто від величини напруги U(x) :

стоку ( x=LK , де LK - довжина каналу) U(x) =U ( LK )=Ucв . З цього приводу можна вважати, що при ненульовій стоковій напрузі ширина каналу зменшується в напрямі від витоку до стоку згідно з формулою

(11.7). Біля стоку ширина каналу мінімальна, оскільки U(x)max =Ucв :

залежить і від напруги Uзв , і від напруги Ucв .

Розглянемо статичні характеристики ПТУП, які знімають за допомогою схеми рисунку 11.6. На цій схемі досліджуваний транзистор має канал p типу.

Рисунок 11.6 – Схема для експериментального зняття характеристик ПТУП

140