книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

Т. М. АГАХАНЯН

ОСНОВЫ

ТРАНЗИСТОРНОЙ

ЭЛЕКТРОНИКИ

«ЭНЕРГИЯ»

МОСКВА 1974

6ФО.З А 23

УДК.621.382.3

\Го - . п> о '

Агахаиян Т. М.

А 23 Основы транзисторной электроники. М., «Энер­ гия», 1974

256 с. с пл.

Дастся описание электронных процессов в полупроводниковых кристаллах. Исследуются импульсные п статические характери­ стики электропио-дырочного перехода с учетом ВЛИЯНИЯ токов ге­ нерации н рекомбинации в переходном слое, канальных токов и токов утечки. Рассматриваются принцип действия, статические, высокочастотпые, импульсные характеристики и физические пара­ метры биполярных и униполярных транзисторов, приводятся их эквивалентные схемы, учитывающие специфику расчета различных электронных устройств.

Кппга предназначена для аспирантов и студентов, специали­ зирующихся по радиоэлектронике, автоматике, вычислительной тех­ нике. Она будет представлять интерес и для инженеров, вавимающнхся разработкой, производством и эксплуатацией радиоэлектрон­ ной аппаратуры.

© Издательство «Энергия», 1974 г.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Предлагаемая вниманию читателейкнига посвящена описанию физических" процессов, принципов работы, параметров и характеристик биполярных и униполярных транзисторов, кото­ рые в настоящее время нашли наиболее широкое применение в радиоэлектронике.

• По теории транзисторов накоплен обширный материал, выполнено большое число научных исследований, основные результаты которых опубликованы в периодической литературе и частично систематизированы и освещены в моно­ графиях и учебниках. Однако большинство опубликованных монографий и учебных пособий по полупроводниковой электронике написано авторами, являющимися специалистами по физи­ ческой электронике. Эти книги служат доста­ точно полным пособием для студентов и инже­ неров, занимающихся разработкой полупровод­ никовых приборов, но они не могут удовлетво­ рить запросы тех специалистов, которые зани­ маются разработкой и эксплуатацией электрон­ ных устройств на полупроводниковых приборах. Поэтому не отпала необходимость в написании книги, которая содержала бы:

во-первых, детальное пояснение физической сути процессов и принципов действия полупро­ водниковых приборов при преобразовании и усилении электрических сигналов с учетом особенностей их работы в электронных схе­ мах;

во-вторых, определение физических парамет­ ров транзисторов, основанное на связи этих параметров с электрофизическими параметрами полупроводникового кристалла, конфигурацией и геометрическими размерами его рабочих облас­ тей;

Глава первая

П О Л У П Р О В О Д Н И К И

ИИ Х Э Л Е К Т Р О Ф И З И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А

Полупроводниковые приборы представляют собой устройства, в которых используются эффекты, обусловленные переносом заря­

да в твердом теле, для преобразования, усиления и генерирования

электрических сигналов. Если параметры электронных ламп, рабочей средой для которых является вакуум, в основном опре­ деляются геометрическими размерами, то параметры полупровод­ никовых приборов существенно зависят также и от свойств полу­ проводника, из которого изготовлен прибор. Механизм образования направленного потока носителей заряда (электрического тока) в полупроводниковом кристалле гораздо сложнее, чем в вакууме. Поэтому для четкого представления и понимания процессов, происходящих в полупроводниковых устройствах, необходимо прежде всего остановиться иа электрофизических свойствах полупроводниковых кристаллов.

В настоящей главе кратко рассматриваются особенности полу­ проводниковых кристаллов и механизмы переноса в них электри­ ческих зарядов.

1-1. ПРОВОДНИКИ, ПОЛУПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

До конца 40-х годов в электронике и электротехнике исполь­ зовались в основном два вида материалов: проводники и диэлект­ рики. Первые из них представляют собой материалы с удельным сопротивлением р = 10~°—10~5 ом-см. Это главным образом металлы с хорошей проводимостью. Ко второй группе относятся

Ь

Рис. 1-2. Копалентиая связь в молекуле водорода.

а — дпп изолированных атома водорода; б — молекула водорода (точками

условно обозначена плотность заряда электрона).

из соседних атомов. Примером простейшей ковалентной связи является связь в молекуле водорода (рпс. 1-2). При образовании молекулы атомы сближаются

1-3. ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛАХ.' ЭЛЕКТРОННАЯ И ДЫРОЧНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

Рассмотрим электрофизические свойства полупроводниковых кристаллов.

Как известно, электрическая проводимость обусловлена пере­ носом заряда валентными электронами. В металле валентные электроны образуют нечто подобное газу из свободных электронов, создающему однородное облако отрицательного заряда, в котором «плавают» положительные ионы металла [Л. 1]. В полупровод­ никах же каждый электрон прочно связан с кристаллической ре­ шеткой и до тех пор, пока он связан, не может принимать участие в переносе заряда, т. е. в процессе электрической проводимости.

7

Если нарушить идеальную структуру валентных связей (напри­ мер, передать электронам тепловую энергию, достаточную для разрыва ковалентнон связи), то появятся электроны проводимости, которые могут перемещаться в кристалле и участвовать в процессе электропроводности. Иначе говоря, можно перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости. В отличие от проводников (у которых валеитпая зона перекрывается зоной проводимости) в полупроводниках валентная зона отделена от зоны проводимости (рис. 1-4). Поэтому для перевода электрона в зону проводимости

Вероятность того, что при средней энергии порядка кТ появится флукту­ ация, способная сообщить электрону энергию &$g, очевидно, тем меньше, чем

больше Д ^ п о сравнению со средней энергией /^(поэтому число электро­ нов проводимости у германия значительно больше, чем у кремния).

Как известно [Л. 1], вероятность того, что при средней тепловой энер­ гии порядка кТ уровень с энергией Ш может быть занят электроном, опре­

деляется функцией распределения Ферми—Дирака

/ ( £ ) = — « Л — . ехр - кТ

В этой формуле eF — уровень Ферми, который в равновесном состоянии совпадает с химическим потенциалом кристалла [Л. 2]; к = 1,38 • 10~23 дж/°К— постоянная Больцмапа; Т — абсолютная температура.

Если

(1-1)

а

то с достаточной для практики точностью функцию распределения Ферми Дирака можно определить по приближенной формуле

Это приближение совпадает с функцией, определяющей распределение электронов по классической статистике Максвелла—Больцмана.

Условие (1-1) не выполняется для вырожденных полупроводников, у ко­ торых концентрация свободных электропов достигает значительной величины. На практике главным образом применяются невырожденные полупроводники, поэтому в дальнейших выводах используется приближенная функция распре­ деления (1-2).

Можно показать [Л. 1], что в соответствии со статистикой Максвелла—Больцмана концентрация электронов в зоне проводи­ мости определяется соотношением

где Шс — энергия электрона на дне зоны проводимости (см. рис. 1-4),

т. е. наименьшая энергия электрона в зоне проводимости; Nc — = 4,82-1015 T'lt, см~3 — эффективная плотность состояний в зоне

проводимости.

При удалении электронов из валентной зоны в ней образуются незанятые энергетические состояния, которые условились назы­ вать дырками. В электронной теории полупроводников дырки в валентной зоне играют такую же роль, что и электроны в зоне проводимости. Поэтому для количественной оценки проводимости требуется знать не только концентрацию электронов проводи­ мости, но и концентрацию дырок проводимости, которая в соответ­ ствии со статистикой Максвелла — Больцмана определяется фор­ мулой

где %v — энергия электрона на верхней границе валентной зоны; Nv — эффективная плотность состояний в валентной зоне.

Итак, под действием тепла, света и других видов энергии про­ исходит переход электронов из валентной зоны в зону проводи­ мости. При этом образуются электроны и дырки проводимости, концентрации которых определяются соотношениями (1-3) и (1-4). Процесс образования пары электрон — дырка называется гене­

рацией пары.

После разрыва валентных связей и перехода в зону проводи­ мости электрон под действием тепловой энергии совершает хаоти­ ческое движение до тех пор, пока захватывается дыркой, переходя

из зоны проводимости в валентную зону. Этот процесс исчезновения электрона и дырки называется рекомбинацией. Она характеризуется диффузионной длиной для электронов L n , представляющей собой

среднее расстояние, которое проходит электрон с момента перехода

9