6.6. Арсенид-галлиевый полевой транзистор
В арсенид-галлиевом полевом транзисторе (в дальнейшем GaAs-транзистор), как и в МДП-транзисторе, используется полевой эффект – влияние электрического поля на полупроводник. И хотя в GaAs-транзисторе нет диэлектрического слоя, подобием его является слой обеднённого полупроводника на границе металло-полупроводникового контакта Шотки.
В работе МДП- и GaAs-транзисторов много общего. Устройство GaAs-транзистора поясняет рис. 32. Сам GaAs кристалл примесей не содержит. Благодаря большой ширине запрещённой зоны собственная концентрация носителей заряда беспримесного GaAs настолько мала, что по электропроводности этот полупроводник приближается к диэлектрикам. Поэтому проблемы влияния полупроводника, окружающего транзистор, не существует.
Рис. 32 Рис. 33
Канал в таком транзисторе изготавливается сразу, в виде слоя полупроводника n-типа. Металл затвора выбирается так, чтобы контакт между затвором и каналом являлся контактом Шотки. Как в любом другом таком m-n контакте, в приграничной части полупроводника возникает обеднённый слой.
При подаче на затвор относительно подложки положительного напряжения наступает обогащение канала. Обеднённый слой сужается, канал расширяется. Ток канала Iс увеличивается (Uси ≠ 0). При подаче отрицательного напряжения на затвор обеднённый слой расширяется. При пороговом напряжении –U0 канал исчезает, транзистор запирается. Типичная стоко-затворная характеристика GaAs-транзистора изображена на рис. 33.
Использование GaAs-транзистора при положительных напряжениях Uзи > 0,2…0,4 В приводит к отпиранию m-n перехода и появлению в нём значительного тока. В основной схеме включения полевых транзисторов, схеме с общим истоком, это входной ток Iз. Поэтому возрастает входная мощность и снижается усиление транзистора. При Uзи > 0,2…0,4 В такой транзистор не используется.
Большим достоинством GaAs является исключительно высокая подвижность свободных электронов. Коэффициент подвижности µn арсенида галлия в 6 раз превышает µn кремния. Поэтому быстродействие и частотные свойства GaAs-транзисторов и интегральных схем потенциально намного выше, чем кремниевых. Известны успешные применения таких транзисторов в СВЧ диапазоне (спутниковая связь) и попытки применения GaAs в сверхбыстродействующих ИС (цифровая электроника).
7. N-P-N И P-N-P СТРУКТУРЫ. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР
7.1. Основные свойства биполярного транзистора
Биполярный транзистор (в дальнейшем БТ) является электронным элементом с двумя р-n переходами (рис. 34).
Рис. 34
Здесь изображён БТ со структурой [2] n+–р–n, хотя возможна, но менее распространена p+–n -p структура. В работе таких БТ принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия: n+ – эмиттер (область, “испускающая” носители); р – база и n (на рис. 34 – область справа) – коллектор (т.е. область, “собирающая” носители).
Каждая область снабжена омическими контактами металл-полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором – коллекторный переход (КП).
Важнейшими особенностями конструкции являются:
1) малая толщина базы, не более 0,5 мкм;
2) малая концентрация примеси в базе, порядка 1016 см-3;
3) большая концентрация примеси в эмиттере, до 1020 см-3.
Только при соблюдении перечисленных условий БТ способен проявлять свои главные свойства: усиливать электрические сигналы, а также работать в качестве ключа.
Возможны четыре режима БТ:
ЭП открыт, КП закрыт - активный, или усилительный режим. Единственный режим, в котором возможно неискажённое усиление сигналов;
ЭП закрыт, КП закрыт – режим отсечки. Используется в ключе, закрытое состояние ключа;
ЭП открыт, КП открыт – режим насыщения. Используется в ключе, открытое состояние ключа;
ЭП закрыт, КП открыт – инверсный режим, обратный по отношению к активному режиму. Не используется, как не эффективный.
Общепринятые условные обозначения БТ и схемы включения его как 4х-полюсника приведены в [2].