16. Биполярные транзисторы

Классификация биполярных транзисторов

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумявзаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции иэкстракции неосновных носителей заряда.

Биполярный транзистор состоит из трех основных областей: эмиттерной(Э), базовой (Б) и коллекторной (К). К каждой из областей имеетсяомический контакт. Эти области разделяются электронно-дырочнымипереходами, между которыми существует взаимодействие. В зависимости оттипа проводимости областей различают транзисторы p-n-p и n-p-n структуры(рис. 11.1).

Рис. 11.1. Условные обозначения биполярных транзисторов p-n-p (а) иn-p-n (б) структуры

Транзистор может работать в электронной схеме как в ключевом так и вусилительном режиме. Для того,чтобы транзистор обладал усилительнымисвойствами, толщина базовой области должна быть меньше диффузионнойдлины неосновных носителей заряда в этой области, т.е. большая частьносителей инжектированных эмиттером не должна рекомбинировать вобласти базы. В зависимости от того, какой вывод транзистора являетсяобщим для входной и выходной цепей, существует три возможных схемывключения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), с общейбазой (ОБ) и общим коллектором (ОК) (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой (а), общим эмиттером (б) и общим коллектором (в)

Сплавные n-р переходы в транзисторе образуются врезультате вплавления в однородный кристалл полупроводника нанебольшую глубину (порядка десяти микрометров) металла или сплава, содержащего донорные или акцепторные легирующие примеси.

Распределение легирующих примесей в пределах эмиттера, базы иколлектора такого транзистора практически равномерное. Из-занеоднородности фронта вплавления металла с помощью сплавления трудносоздать транзистор большой площади (более 0,1 см2) и толщиной базы менее2030 мкм.

Физические процессы в транзисторе

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов инапряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. Взависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному иколлекторному переходам транзистора, возможны четыре режима егоработы:

1. Активный режим. Он используется при усилении малых сигналов. Вэтом режиме прямое напряжение подается на эмиттерный переход, аобратное на коллекторный.

2. Инверсный режим, когда прямое напряжение подается на эмиттерныйпереход, а обратное на коллекторный. При этом эмиттер и коллекторкак бы меняются своими ролями.

3. Режим отсечки к обоим переходам подводятся обратные напряжения.

Ток, протекающий через триод, в этом случае ничтожно мал итранзистор в режиме отсечки оказывается практически запертым.

4. Режим насыщения оба перехода находятся под прямымнапряжением. Ток в выходной цепи максимален и практически нерегулируется током входной цеди. В этом режиме транзисторполностью открыт.

17. Полевые транзисторы с изолированным затвором (мдп-транзисторы)

Внутренняя структура МДП-транзистора представлена на рис. 13.1. МДП-транзистор создается в кристалле полупроводника с относительновысоким значением удельного сопротивления, который называетсяподложкой. Транзистор имеет три основных электрода: управляющийэлектрод затвор и выходные электроды сток и исток. Возможен такжечетвертый электрод, который соединяется с пластиной исходногополупроводника подложкой.

Рис. 13.1. МДП-транзистор с индуцированным n-каналом

Область транзистора, проводимость которой изменяется под действиемуправляющего напряжения, называется каналом. Проводящий канал в МДП-транзисторах расположен между стоком и истоком и имеет повышеннуюконцентрацию носителей заряда по отношению к исходному полупроводнику– подложке. Проводимость канала изменяется с помощью цепи управлениялибо за счет изменения концентрации носителей заряда канала, либо за счетизменения его геометрических размеров. Область, через которуюосуществляется ввод носителей заряда в канал, называется истоком, аобласть, через которую носители выходят из канала стоком транзистора. Полупроводниковые области истока и стока создают из сильнолегированного, обладающего хорошей проводимостью, материала, отличающегося по типу от материала базового кристалла. Электрод полевого транзистора, на который подается управляющийсигнал, называется затвором. В МДП-транзисторах управляющая цепьзатвора отделена от области канала тонким слоем диэлектрика. Обычно вкачестве диэлектрика используют оксид (диоксид кремния SiO2) и говорят оМОП-транзисторах (со структурой металлоксидполупроводник).

В основе работы МДП транзистора лежит эффект управленияповерхностной проводимостью и поверхностным током с помощьюэлектрического поля затвора, отделяемого от полупроводника слоемдиэлектрика.

Различают МДП-транзисторы двух типов: со встроенным ииндуцированным каналом. В МДП-транзисторе с индуцированным каналомпри напряжении на затворе, равном нулю, канал отсутствует, так как междуистоком и стоком оказываются два встречно включенных n-p перехода, образованных контактом областей стока или истока и исходной подложкой.В этом случае ток в цепи стока равен обратному току одного из переходов, т.е. весьма мал и транзистор будет находиться в закрытом состоянии. Длятого чтобы транзистор открылся, на затвор необходимо подать такойпотенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы наповерхности произошла инверсия проводимости. В этом случае полярностьнапряжения на затворе должна совпадать со знаком основных носителей вобъеме полупроводниковой подложки. В результате на поверхностиполупроводника индуцируется заряд противоположного знака, и подзатвором формируется область другого типа проводимости по отношению кбазовому кристаллу, образующая канал, соединяющий области истока истока. В стоковой цепи начинает протекать ток, и транзистор переходит воткрытое состояние. Напряжение затвора, при котором происходит инверсияпроводимости подзатворной области, называют пороговым (U_пор). Стоковыйток тем выше, чем больше индуцированный в канале заряд и соответственнобольше проводимость индуцированного канала.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхностиполупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворесуществует инверсный слой канал, соединяющий области стока и истока.Уменьшение тока на выходе МДП-транзистора со встроенным каналомобеспечивается подачей на затвор напряжения U_зис полярностью, соответствующей знаку носителей заряда в канале: для р-канала U_зи> 0, дляn-канала U_зи< 0. Напряжение затвора указанной полярности вызываетобеднение канала носителями заряда, сопротивление канала увеличивается, ивыходной ток уменьшается. Если изменить полярность напряжения назатворе, то произойдет обогащение канала носителями и, соответственно, увеличение выходного тока.

Таким образом, МДП-транзисторы со встроенным каналом могутработать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режимеобогащения. МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают тольков peжиме обогащения.