книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

В этих уравнениях сйа =2лі/а , ао и ßo— коэффициенты переда­

чи тока в схемах ОБ и ОЭ соответственно, определяемые в точке перегиба выходной характеристики при значении / б или /э, равном высоте импульса; / іэ и /бі — импульсные токи эмиттера и базы.

На практике можно использовать приближенное уравнение:

(2. 101)

Хотя постоянная времени установления тока TPG3>1/иа , дли­ тельность фронта импульса для схемы ОЭ может быть меньше, чем в схеме ОБ, так как условие /еі1§>/іш/фо выполнить легче, чем условие /э3>/KH/W т. е. для управления транзистором в схеме ОЭ требуется меньший ток, чем в схеме ОБ.

Время рассасывания tv. В конце интервала времени рассасыва­

Длительность фронта в обычном транзисторе в схеме ОБ при небольшом сопротивлении в коллекторной цепи порядка 1 мкс, время спада в 2—3 раза больше его. При использовании высоко­ частотных транзисторов время фронта и спада можно уменьшить приблизительно в 10 раз. В высокочастотных транзисторах обна­ ружено значительное влияние емкостей переходов на длительность переходных процессов, в то время как процессы переноса носите­ лей и их рекомбинации перестают играть основную роль.

210

Типы транзисторов

ББЗДРЕЙФОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Бездрейфовые транзисторы изготавливают методом вплавлення примесей. В большинстве случаев сплавные транзис­ торы выполняют из германия или кремния на различные мощно­ сти для работы на низких и не очень высоких частотах. Технология получения р-д-переходов в них та же, что и в диодах, только при­ меси вплавляют с обеих сторон пластинки, служащей базой. Пе­ реход получается резким, но с неровными границами, поэтому толщина базы на некоторых участках сильно отличается от сред­ ней. Поверхность коллектора в 1,5—2 раза больше поверхности эмиттера.

ДРЕЙФОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

По технологии изготовления дрейфовые транзисторы делятся на диффузионные, диффузионно-сплавные, меза-транзисто- ры, эпитаксиальные и планарные.

Диффузионные транзисторы. Для изготовления диффузионных транзисторов применяют метод двойной диффузии, который дает возможность получить толщину базовой области в 1—2 мкм. Этот метод основан на различии коэффициентов диффузии донорных и акцепторных примесей как в германии, так и в кремнии. Скорость, диффузии примесных атомов характеризуется коэффициентом диф­ фузии D, т. е. количеством атомов примеси N, проходящих через единичную площадку в направлении оси х за единицу времени при dN/dx=\ 1 Коэффициент диффузии экспоненциально возрастает с повышением температуры. В германии для большинства доноров D больше, чем для акцепторов; в кремнии, наоборот, акцепторные примеси быстрее диффундируют, чем донорные. Концентрация при­ меси изменяется с расстоянием х приближенно по экспоненциаль­ ному закону (если x > L ): /Ѵ= іѴ0ехр(—xj2 L), где N0 — концентра­ ция примеси у поверхности, с которой осуществляется диффузия:

L — Y D X — диффузионная длина примеси, а т — среднее время диффузии.

Коэффициенты диффузии для доноров и акцепторов существенно отличаются друг от друга: так,- в германии коэффициент диффу­ зии сурьмы примерно в 100 раз больше коэффициента диффузии галлия, зато галлий у поверхности создает гораздо большую кон­ центрацию примеси. Необходимый тип электропроводности полу- ■ чают, обеспечив преобладание той или иной примеси. Например, в коллекторную область германия для получения проводимости />типа вносят путем диффузии сплав двух примесей сурьмы и галлия. Так как у сурьмы коэффициент диффузии в 100 раз больше, чем у галлия, то при нагревании ее атомы диффундируют быстрее, об­ гоняя атомы галлия и образуя .область базы л-типа. Галлий диф-

211

фундирует на меньшую глубину, сохраняя в этом объеме электро­ проводность р-типа, и образует эмиттерную область. В результате образуется структура р-н-р-транзистора. Толщина базовой обла­ сти wg определяется разницей глубины проникновения в тело полу­ проводника сурьмы и галлия. Выводы эмиттера и коллектора вы­ полняют обычным путем, а вывод базы, имеющей толщину в не­ сколько микрон, наиболее наделено осуществляют путем диффузии или вплавления сурьмы на соединительном участке поверхности германия с тем, чтобы образованная п-площадка получила омиче­

дится вблизи эмиттерного перехода. Ло мере приближения к кол­ лекторному переходу концентрация этой примеси медленно умень­ шается до нуля. Концентрация сурьмы у эмиттерного перехода наибольшая, и электроны диффундируют через базу к коллектор­ ному переходу. Возникающее электрическое поле препятствует их перемещению. Для неосновных .носителей заряда дырок, инжекти­ рованных в базу из эмиттера, это поле является ускоряющим. В результате возникает дрейфовая составляющая движения дырок к коллекторному переходу, уменьшающая время их перемещения и дисперсию у коллекторного перехода. Напряженность поля при экспоненциальном распределении примесей в базе

е w6 NK

где А/э — концентрация примесей в базе у эмиттера; Nк — концен­ трация примесей в базе у коллектора.

2:2

В транзисторе с диффузионной базой предельная частота ко­ эффициента передачи тока примерно в 10 раз больше, чем в бездрейфовом, а емкость плавного коллекторного перехода Ско, имею­ щего малую площадь, весьма мала. Для лучших образцов этих транзисторов были получены следующие параметры: Шб=1—2 мкм, г'б = 50 Ом; Ско—0,6 пФ; fa — до 600 МГц (для германия), Р до

0,5 Вт (для кремния).

Достоинствами транзисторов с диффузионной базой являются: малое сопротивление эмиттерной области, что увеличивает коэф­ фициент инжекции у, и малое сопротивление базы r't и барьерной

емкости СІ!0 Кроме того, здесь возможны точный расчет и управ­ ление процессом двойной диффузии.

В сплавных диффузионных транзисторах базу и коллекторный переход получают путем диффузии, а эмиттерный переход — мето­ дом вплавления. Распределение примесей здесь такое же, как и в транзисторе с , диффузионной базой. Однако атомы примеси, вплавленной для образования эмиттерной области, не проникают в область базы, и распределение концентрации примеси в базе полу­ чается более удачным, так как ускоряющее поле начинается от са­ мого эмиттерного перехода.

Меза-транзисторы. Основная особенность меза-транзистора за­ ключается в значительном уменьшении площади коллекторного пе­ рехода по сравнению со сплавными транзисторами и, следователь­ но, его емкости С к о, а также в уменьшении объема базовой обла­ сти. На рис. 2.82 дана технологическая схема образования меза-

Рис. 2.82. Технологическая схема образования мезатранзистора:

а) заготовка после диффу­ зии; 6) шлифовка одной стороны пластины; в) напы­ ление эмиттера и базового вывода; г) вплавлеиие при­ месей и защита воском; д)

транзистор после травления;

I — исходный материал; 2 — диффузионный базовый СЛОЙ; 3 — маска; 4 — испаритель ма­ териала эмиттерной . навески;

коллекторной области 1 , диффузионным путем вносят примесь п- типа для создания базовой области 2 (рис. 2.82а). Одну сторону пластинки шлифуют (2.826). Далее на пластинку в вакууме напы­ ляют через одно и то же отверстие маски, но под различными уг­ лами площадки 6 и 7. Материал площадки вплавляется, в резуль­ тате чего образуется омический контакт с базой 8 , /7-область эмит-

213

тера 10 и контакт эмиттера 9. Активные области транзистора и вы­ вод базы покрывают защитным изоляционным материалом 1 2 (рис. 2.82г). Незащищенную поверхность стравливают на глубину, боль­ шую толщины базы. Затем выход коллекторного перехода на по­ верхность кристалла покрывают диэлектриком с большой диэлект­ рической проницаемостью. При этом возможность поверхностного пробоя перехода и рекомбинационные явления на его поверхности значительно уменьшаются. С нижнеи стороны в пластинку вплав­ ляют золотую фольгу, создающую омический контакт с коллектор­ ной областью. В зависимости от размеров плаетино« раіоомотрѳиным методом возможно одновременно изготовить до 1000 мезатранзисторов на одной пластине..

Меза-транзистор обладает хорошим теплоотводом от коллекто­ ра благодаря большой площади его контакта с выводом. Мощ­ ность, выделяемая на коллекторе меза-транзистора, может дости­ гать 10 Втм и более. Диаметр коллекторного перехода равен при­ мерно 100—200 мкм, а емко£ть 0,5—0,8 пФ. Толщина базы менее 1 мкм. Предельная частота коэффициента передачи по току до­ стигает 500 МГц.

Эпитаксиальные транзисторы. Основная особенность эпитакси­ ального транзистора заключается в образовании на монокристал­ лической подложке эпитаксиального слоя полупроводника, сохра­ няющего кристаллическую структуру подложки. На рис. 2.83 при-

Рис. 2.83. Структура эпитаксиального транзис­ тора:

1 — эмнттерная область; 2 — вывод эмиттера; 3 — вывод базы; 4 — диффузнбниый базовый слой; 5 —

ведена схема эпитаксиального транзистора, имеющего меза-струк- ТУРУЭпитаксиальная технология заключается в выращивании вы­ сокоомного тонкого слоя полупроводника на-монокристалле из па­ ровой фазы. Как было указано р-анее, в высокочастотных и им­ пульсных транзисторах базы должны быть очень тонкими, что вы­ зывает сильное увеличение их сопротивлений, а также ограничи­ вает коллекторное напряжение из-за усиления опасности смыка­ ния областей пространственного заряда эмиттерного и коллектор­ ного переходов.

Все эти недостатки устраняются при введении между коллекто­ ром и базой тонкого (2,5—5 мкм) высокоомного (удельное сопро­ тивление близко к собственному) эпитаксиального слоя. Кроме то­ го, благодаря этому слою дополнительно уменьшается емкость коллекторного перехода и исключается возможность лавинного пробоя (т. е. повышается пробивное напряжение). Коллектор мож­ но сильно легировать (п+-тип), уменьшив'тем самым его сопротив­ ление. Наконец, при повышении коллекторного напряжения до 40 В и более в эпитаксиальном слое возникает сильное дрейфовое

214

поле для носителей, поступающих из базы, толщина которой по­ рядка 0,5 мкм. Таким образом, эпитаксиальный транзистор имеет структуру п-р-п-п+. Коллекторный переход создается между базой и эпитаксиальным слоем. В эпитаксиальных транзисторах предель­ ная частота коэффициента передачи по току достигает 1000 МГц.

Планарные транзисторы. Основная особенность планарноготранзистора заключается в том, что примеси, образующие его р-п- переходы, диффундируют сквозь отверстие в защитном слое, кото­ рый наносят на поверхность полупроводника. При этом все выво­

ность и вновь через фотошаблон на фоторезисте создают эмиттерное окно меньших размеров, через которое осуществляется диффу­ зия фосфора из паровой фазы для образования п-области эмитте­ ра. Эмиттерный переход также формируется под защитным слоем Si02 ' Таким образом, обеспечивается чистота р-/г-переходов. Нако-

215-

иед, в защитном слое делают прорези для нанесения эмиттерного и базового контактов на поверхность пластинки кремния.

Планарная технология в настоящее время широко распростра­ нена для изготовления дискретных транзисторов и интегральных •схем.

Планарный транзистор относится к дрейфовым, так как в об­ ласти базы в результате диффузии примеси создается ускоряющее электрическое поле для ее неосновных носителей заряда. Он об­ ладает малыми значениями г ^ С кй и высоким пробивным напряже­

нием коллекторного перехода.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор с р-п-переходом. В полевых тран­ зисторах, как уже указывалось, управление потоком основных но­ сителей заряда осуществляется в области полупроводника, назы­ ваемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помо­ щью электрического поля. Полевой транзистор можно выполнить в виде триода или тетрода. Полевой транзистор — триод имеет сле­ дующие три электрода: исток, через который в канал втекают ос­ новные носители; сток, через который они вытекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования поперечного сечения канала. Впервые идея полевого транзистора была предложена в 1952 г., но в течение ряда лет полевой транзистор оставался ла­ бораторным прибором. В настоящее время существует множество типов полевых транзисторов, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные. Преимуществом полевых тран­

316

скольку \іп>іхр, выгоднее применять п-канал. Затвор выполняют в виде двух полупроводниковых пластин p-типа, соединенных вме­ сте и охватывающих га-канал с двух сторон.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсут­ ствии сигнала на входе основные носители заряда — электроны под. действием ускоряющего электрического поля в канале (£=105-Ь ІО4рВ/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то врем» как р-п-переход для них заперт. Ток, создаваемый этими электро­ нами, определяется как напряжением стока t/c, так и сопротивле­ нием канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала,, которое ограничивается р-п-переходом. Поскольку потенциал элек­ трического поля линейно возрастает от истока к стоку вдоль кана­ ла, толщина р-л-перехода минимальна вблизи истока и максималь­ на вблизи стока, и канал сужается вдоль р-/г-перехода от стока к

его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следователь­

миниевые контакты Между затвором и каналом образуется р-п-пе­ реход.

На рис. 2.87а изображено семейство статических выходных ха­ рактеристик кремниевого полевого транзистора КД102 с каналом p-типа: ток в цепи стока / с в функции напряжения на стоке Uc прш различных значениях напряжения затвора U3 и ^?н=0. Каждая ха-

217’

рактеристика имеет два участка — омический (для малых Uc) и насыщения (для больших Uc). При U3 = 0 с увеличением напряже­ ния Uc ток / с вначале нарастает почти линейно, однако далее ха­ рактеристика перестает подчиняться закону Ома; ток / с начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению паде­ ния напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие

а)

Рис. 2.87. Статические характеристики полевого транзистора типа КП 102:

а) выходные; б) характеристики прямой

передачи

этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала, а также замедляется возрастание самого тока /,.. При не­ котором напряжении насыщения ІІСо сечение канала приближает­ ся к нулю и рост / с прекращается.

Следующая характеристика, снятая при некотором положитель­ ном обратном напряжении затвора £/' , когда запирающий слой

имеет большую толщину при тех же значениях Uc, будет более по­ логой на начальном участке и насыщение наступит раньше (при меньших значениях О'со ). Эти характеристики напоминают по сво­

ему виду анодные характеристики пентода. Затвор играет роль сетки электронной лампы и изменение напряжения U3 управляет изменением тока / с в выходной цепи. Исток эквивалентен катоду, а сток — ее аноду.

Семейство характеристик прямой передачи изображено на рис. 2.87б. Для удобства сравнения их с анодно-сеточными характери­ стиками пентода и практического использования положительное

•обратное напряжение затвора отложено влево от начала коорди­ нат. Постоянным параметром характеристик является напряжение

стока. Из. характеристик видно, что напряжение отсечки U3 отс равно З В и мало зависит от напряжения стока. Раствор характе­ ристик позволяет прикладывать к полевому транзистору сигналы с

• относительно большими амплитудами (порядка 1,5 В, что значи-

• тельно больше, чем это возможно для биполярного транзистора). Полевой транзистор, подобно электронным лампам и биполяр­ ным транзисторам, может работать в трех схемах включения — в

• схеме с общим истоком (рис. 2.88а), в схеме с общим стоком (рис.

; 218

2.88б) и в схеме с общим затвором (рис. 2.88а)._ Схеме с общимистоком соответствует ламповая схема включения с общим като­ дом, схеме с общим стоком — схема с общим анодом, а схеме с общим затвором — схема с общей-сеткой.

Рис. 2.88. Схемы включения полево­ го транзистора:

а) с общим исто­ ком; б) с общим

стоком; в) с об­ щим затвором

Характеристики полевых транзисторов аналогичны характери­ стикам экранированных ламп, поэтому основным параметрам, ис­ пользуемым при расчете усилительного каскада с полевым тран­ зистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т. е. отношение изменения тока стока к напряжению ме­ жду затвором и истоком;

(эта величина для полевых транзисторов находится в пределах от 0,5 до 5 мА/В); междуэлектродные емкости затвор-исток Сси, за­ твор-сток Сзс и сток-исток СсиДля транзистора типа КП 102 Сзм = = 3 пФ, Сзс= 2 пФ и Ссн= 0,2 пФ. По аналогии с электронными лампами дифференциальное выходное сопротивление здесь опреде­ ляется как

Оно составляет примерно десятки—сотни килоомов. Статиче­ ский коэффициент усиления по напряжению находится в преде­ лах ц= 25-1-100. Коэффициент усиления по напряжению при опти­ мальной нагрузке Дц опт равен 10 или более.

Ток затвора во входной цепи триода /3— обратный ток, созда­ ваемый неосновными носителями через р-п-переход, чрезвычайно' мал (порядка 1СНЭА и менее). Поэтому входное сопротивление по­ левого транзистора А'ьХ= ДН3/Д/3 очень высокое (порядка несколь­ ких мегомов), входная же емкость мала, так как переход нахо­ дится под обратным напряжением. Этими качествами полевой транзистор выгодно отличается от биполярных транзисторов с дву­ мя р-ц-переходами. При работе полевого транзистора иа высоких частотах основное значение имеет емкость С-ц■Максимальная ра­ бочая частота определяется постоянной времени входной цепи,f= =Л/2 л RCzn, где R — сопротивление канала, через которое заря­ жается емкость. Анализ показывает, что по частотным свойствам полевой транзистор не имеет особых преимуществ перед биполяр­ ным. Практически были осуществлены полевые транзисторы с мак­

219!