ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2024
Просмотров: 44
Скачиваний: 0
В.Н.МАРКОВА И.А. ГОЖЕНКО |
|
■ |
° |
M M I O T R S
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
B 1 |
^ лУЧіі> |
л к и ч ь и к л р |
|
Ці*;г>г' |
COOP |
||
|
|||
|
|
К В Т i E |
Полупроводниковый триод (транзистор) — не избежный элемент современной радиоэлектронной аппаратуры. В основу многих схем счетно-решаю щих устройств и кибернетических машин положе ны полупроводниковые приборы. Но этим не ог раничивается область применения транзисторов, они нашли широкое распространение во всех от раслях техники.
В брошюре рассказывается о принципе дей ствия полупроводниковых триодов, их конструк тивных типах и технологических особенностях. Рассчитанная на специалистов, работающих в области полупроводникового приборостроения, брошюра будет полезной также читателям, инте ресующимся современным состоянием полупровод никовой техники.
КИЕВСКАЯ КНИЖНАЯ ТИПОГРАФИЯ Кг 5
3-4—5
294-67М
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
проводниковом |
приборе — двухполюсном |
диоде с од |
ним переходом — можно сказать, что он |
не транзистор. |
|
Благодаря |
тому, что полупроводниковые приборы |
(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
жет получать |
указания |
тренера. |
|
|
|
|
|
Кристалл |
полупроводникового |
триода |
без |
выводов |
|
и |
упаковки мал — его |
площадь |
составляет |
примерно |
||
1 |
мм2. Выводы, ножка |
и крышка |
корпуса |
в десятки, а |
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
лупроводниковых приборов |
(сначала диодов, а |
затем, |
|
с 1948 |
г., и триодов) стали |
применять кремний |
и гер |
маний. |
|
|
|
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
Рис. 1. Схема |
плоскостного р-п-р триода с общей |
||||
|
|
|
базой: |
2 — основной |
|
/ — область кристалла |
р-типа; |
кристалл |
|||
«-типа; |
3 - р - п |
переход; 4 и |
5 — основные |
носители |
|
(дырки |
и электроны); |
6 — неосновные носители |
(дырки). |
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