книги из ГПНТБ / Маркова В.Н. Малютки ПТ

НА У Ч Н О -

ПО П У Л Я Р Н А Я

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

3. Н. МАРКОВА, Н. А. ГОЖЕНКО

М А Л Ю Т К И

П Т

К И Е В — 1967

ПРЕДИСЛОВИЕ

В наши дни трудно встретить человека, который не слышал бы слова транзистор.

Термин «транзистор» вначале употребляли для оп­ ределения полупроводникового триода (ПТ), у которого усиление внешнего сигнала происходит в результате эмиттирования (инжекции) носителей заряда.

Сейчас транзисторами называют все полупроводни­ ковые многополюсники, усиливающие внешний сигнал, а также канальные триоды, в работе которых инжекция не играет основной роли. Название четырехслойного переключателя «управляемый выпрямитель» как бы ис­ ключает его из класса полупроводниковых усилителей, тем не менее, работает такой прибор благодаря инжек­ ции и усилению. Эквивалентом любого переключателя может быть соединение двух обыкновенных триодов — транзисторов. Только об одном радиоэлектронном полу­

(диоды, триоды, фотосопротивления) имеют небольшие габариты, потребляют ничтожно малое количество энергии, не боятся перегрузок и вибраций, их применяют во многих отраслях техники.

Работа бортовой аппаратуры самолетов и косми­ ческих кораблей, счетно-решающих и кибернетических устройств немыслима сейчас без транзисторов. Тран­ зисторные передатчики взяты на вооружение разведками многих стран. Ведь рацию, которая может поместиться не только в спичечной коробке,'»но и в перстне, не так-то легко обнаружить. Такие компактные передатчики ис­ пользуются и учеными для изучения миграции живот­ ных. Прикрепленный к поясу или карману транзистор­

3

ный приемник верно служит и страдающему глухотой старику, и спортсмену, который во время занятий мо­

иногда и в сотни раз больше самого кристалла. В за­ висимости от характера работы корпус транзистора мо­ жет иметь различные размеры и форму. Маленькие ко­ аксиальные баллончики предназначаются для высоко­ частотных триодов, крупные корпуса в виде шляпок с радиатором служат для рассеяния мощности в несколь­ ко ватт. Однако транзисторы в любом виде во много раз меньше ламп аналогичного назначения.

В микромодульных схемах и твердых схемах, изго­ товленных в объеме кристалла, размеры малюток ПТ сведены до размеров рабочих переходов. Это позволя­ ет создавать приемники величиной с почтовую марку и даже с горошину.

Первый полупроводниковый триод появился на свет только в 1948 г., но у него была длинная предыстория.

Полупроводники как вещества с электропроводнос­ тью меньшей, чем у металлов, и большей, чем у изоля­ торов, известны давно. Такие свойства полупроводни­ ков, как сильная зависимость сопротивления от темпе­ ратуры и освещенности, влияние на электропроводность примесей и т. п., на ранних этапах развития полупро­ водниковой техники обусловили их применение в каче­ стве выпрямителей, фотосопротивлений фотоэлементов И др.

Генерирование и усиление электромагнитных коле­ баний с помощью полупроводникового кристалла впер­ вые в мире было осуществлено в 1922 г. советским уче­ ным, сотрудником Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосевым.

4

Однако до конца 40-х годов нашего столетия полу­ проводники не играли ведущей роли в электронике и радиотехнике, хотя теоретическая разработка вопро­ сов физики полупроводников и экспериментальное ис­ следование их свойств в это время велись довольно интенсивно. Советские ученые одни из первых начали систематическое изучение физики полупроводников. Работы А. Ф. Иоффе, В. Е. Лашкарева, Б. Т. Коломийца, В. П. Жузе, И. В. и Б. В. Курчатовых, С. И. Пекара, Б. И. Давыдова, В. И. Ляшенко, М. С. Соминского, С. М. Рывкина и других исследователей сыграли важную роль в развитии науки о полупроводниках.

Бурное развитие полупроводниковой электроники началось тогда, когда в качестве материала для по­

Первым промышленным триодом был точечный триод. Просуществовав более десяти лет, этот триод постепенно стал сдавать свои позиции более совершен­ ным приборам. Во многих странах, в том числе в CCCF', точечный ПТ снимается с производства. В связи с этим в брошюре рассматриваются конструкции только плос­ костных триодов. Транзисторы этой конструкции раз­ нообразны как по технологии изготовления, так и по принципу действия.

Стремясь изложить материал в сжатой форме, по возможности доступной читателю, знакомому в общих чертах с разделами электричества, радиотехники, а также с основами физики твердого тела, авторы опус­ тили такие фундаментальные разделы, как физика про­ боя, теоретическое описание распределения зарядов в базе и переходе, виды емкостей и др.

5

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Структура к принцип действия плоскостного триода

Полупроводниковый плоскостной триод представляет собой монокристалл, в котором созданы один или два параллельно располо­ женные перехода между слоями с различным типом проводимости. Обычный р-п-р плоскост­ ной триод (рис. 1) имеет два слоя с дырочной проводимостью (p-типа), между которыми находится слой с электронной проводимостью (я-типа). В п-р-п триоде слои соответственно меняются местами.

При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике всегда имеются носители заряда, появление которых обусловлено, в ос­ новном, тепловой генерацией. В материале p-типа за счет тепловой энергии валентные электроны основных атомов перебрасываются к атомам примесных элементов — акцепторов, образуя отрицательные ионы. Это энергетиче­ ски описывается как переход из валентной зоны на локальный уровень. В валентной зо­ не остаются вакансии, дырки, которые могут перемещаться по кристаллу и участвовать в переносе тока.

В материале я-типа. электроны переходят с локального уровня (энергетическое состоя­ ние валентного электрона в атоме примесного элемента) в зону проводимости. Энергия, не­

7

обходимая для этого перехода, очень мала (около 0,005 эв для германия и 0,02—0,03 эв для кремния). Поэтому даже при комнатной температуре энергии электронов вполне до­ статочно для ионизации примеси. При таких

условиях концентрация дырок рѵ или элек­ тронов Пп равна соответственно концентрации примесей акцепторов NA или доноров ND.

Кроме основных носителей, в кристалле присутствует небольшое количество неоснов­ ных — дырок рп (в «-типе) и электронов пѵ (в p-типе), которые появляются в результате перехода электронов непосредственно из ва­ лентной зоны в зону проводимости. Так как этот процесс требует большей затраты энергии (около 0,6 эв для кремния и 0,37 эв для гер­

8

мания), то при невысоких температурах (ниже 120° С для кремния и 70° С для германия) обычно Пр<рр и рп<С«п. Созданные таким образом носители, называемые равновесными, находясь в электродинамическом равновесии с неподвижными зарядами, сохраняют ней­ тральность кристалла.

На границе п- и p-слоев, в переходе, при­ месей может быть очень мало (резкий пере­ ход). Носители заряда могут появиться при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственная проводимость). При комнатной температуре это маловероятно. Но примеси могут быть и скомпенсированы (NA= ND). Тогда на каждую дырку придется один электрон, который в результате сложных переходов с локального уровня в зону прово­ димости и обратно попадет в валентную зо­ ну — рекомбинирует с дыркой (плавный пере­ ход). В плавном переходе по обе стороны гра­ ницы, где Na = Nd, происходит постепенное нарастание разностной концентрации MD—NA (п-слой) ц Na —Nd (р-слой).

В области перехода имеется только объем­ ный заряд доноров и акцепторов, носители заряда почти отсутствуют, поэтому сопротив­ ление перехода очень велико, примерно не­ сколько миллионов ом. На границе слоев с различным типом проводимости возникает кон­ тактная' разность потенциалов и образуется потенциальный барьер в несколько десятых вольта. Если к переходу приложить напряже­ ние и барьер увеличится, такое состояние пе­ рехода будет называться запертым, если по­ тенциальный барьер уменьшится — открытым.

9

Напряжение, приложенное в запирающем, обратном, направлении, отталкивает носителей заряда от перехода, повышая его сопротивле­ ние (.знак «-+-» на полупроводнике «-типа, «—» на полупроводнике p-типа). При прямом включении носители поступают в переход, уменьшая его сопротивление (знак «+» на полупроводнике р-типа, «—» на полупровод­ нике «-типа).

Область, инжектирующая носители (на рис. 1 она находится слева), называется эмит­ тером (Э), а переход — эмиттерным (вклю­ чение прямое). Область, собирающая носители (на рис. 1 — справа), называется коллектором (К), а переход — коллекторным (включение обратное). Область, в которой взаимодейст­ вуют оба перехода, называется базой (Б) (на рис. 1 она посредине). Так как сопротивление переходов значительно больше сопротивления базы, эмиттера и коллектора, в теоретической модели транзистора принимается, что все при­ ложенное к триоду напряжение падает на пе­ реходах, а в базе и остальных областях поле, вызванное внешним напряжением, отсутствует.

Основную роль в работе транзистора игра­ ют прохождение носителей заряда через эмиттерный переход, их поведение в базовой об­ ласти и влияние на ток коллектора.

Если на каком-либо отдельно взятом пе­ реходе внешнее, напряжение отсутствует, че­ рез него течет ток, вызванный различием концентраций носителей для «- и р-слоев (ток диффузии ID). Уравновешивает его ток про­ водимости /s. Контактная разность потенциа­ лов препятствует прохождению дырок в «-слой

Ю