Полупроводниковый биполярный транзистор

Одними из наиболее известными представителями класса полупроводниковых приборов являются транзисторы, получившие свое название от английского словосочетания transfer resistance (управляемое сопротивление). Транзисторы наиболее распространенной конструкции содержат два р-п-перехода, включенных навстречу друг другу. Различают транзисторы р-п-р- и п-р-п-типов. В настоящее время в силу технологических особенностей изготовления одним из основных элементов интегральных микросхем является транзистор п-р-п-типа. На рис.3-8 представлены зонные схемы энергетических уровней данного транзистора, а также различные электрические схемы включения этого прибора.

Рис. 3-10. Транзистор n-p-n-типа

На рис. 3-10-а приведена зонная схема транзистора в отсутствие напряжения. Вариант 3-10-б отражает электрическую схему включения транзистора с общей базой (т.н. схема с ОБ); 3-10-в соответствует зонной схеме транзистора, работающего по схеме с общей базой; рис. 3-10-г показывает включение транзистора по электрической схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Основной задачей транзисторов обычно является усиление напряжения, тока и/или мощности. Хотя сейчас наиболее распространенной является схема с ОЭ, более простой для разбора принципа действия транзистора служит схема с ОБ. В ней входным током прибора является ток эмиттера I_э (имеется в виду переменная составляющая тока). Этот ток вбрасывает электроны в базу, которые диффундируют к пространственно развитому коллекторному переходу. Там они попадают под действие напряжения, прямого для данного перехода, и создают коллекторный ток I_к. При этом I_к = α I_э. Коэффициент α обычно меньше единицы (α = 0.9 – 0,95), т.к. часть электронов рекомбинирует с дырками, ток которых I_б поступает из цепи базы. Напряжение V = I_к R_н , выделяемое на нагрузочном сопротивлении в цепи коллектора, является выходным.

В схеме с ОЭ входным является ток базы I_б , а выходным ток коллектора. Легко показать, что в этом случае I_к = β I_б = I_б

Еще большего усиления по току можно добиться в схеме с включением с общим коллектором (ОК), когда входной сигнал подают в цепь базы, а выходной получают в цепи эмиттера.

Существует довольно много технологических, конструктивных и схемных решений, позволяющих существенно улучшить технические характеристики представленного биполярного транзистора, т.е. транзистора с двумя р-п-переходами. Все это обычно рассматривают в специальных учебных курсах схемной или технической электроники. Но с точки зрения изучения физических процессов, протекающих в полупроводниковых приборах, необходимо подчеркнуть наличие транзисторов и с одним р-п-переходом. К числу наиболее известных приборов подобного типа относятся т.н. полевые транзисторы.

Полевые транзисторы

Простейший транзистор этого вида содержит три электрода. Электрод, через который носители заряда входят в прибор, называется истоком, а электрод, через который они выходят, - стоком. Управляющий электрический сигнал подается на третий электрод, называемый затвором. На рис. 3-11 приведена структура и схема включения полевого транзистора в схему с общим затвором.

Рис. 3-11. Полевой транзистор с управляемым p-n-переходом.

Большинство полевых транзисторов симметричны, т.е. сток и исток у них можно менять местами. Этим они отличаются от рассмотренных ранее биполярных транзисторов, которые, как правило, несимметричны.

Коротко рассмотрим работу полевых транзисторов. Основным материалом для их создания является кремний. Кристалл содержит один p-n-переход, р- и п-области которого легированы неодинаково: концентрация примеси в области затвора выше, чем в п-области между истоком и стоком. Поэтому при подаче напряжения на p-n-переход ширина области пространственного заряда в п-области оказывается много больше, чем в р-области.

Полевые транзисторы можно включать тремя способами: с общим истоком, общим затвором и общим стоком. Подавая обратное смещение V_з-и между затвором и истоком в схеме включения с общим затвором (рис. 3-10-б), можно увеличить ширину запирающего слоя в области «исток-сток». Ширина этого слоя неодинакова вдоль канала, по которому движутся носители заряда от истока к стоку, поскольку запирающее напряжение в p-n-переходе в районе стока оказывается выше, чем у истока, на величину V_и-с.

Модулируя управляющее напряжение V_вх , можно менять поперечное сечение канала, по которому движутся электроны, его сопротивление, и в итоге – ток I_c через него. Чем уже канал, тем ток меньше; при полном перекрытии канала ток через транзистор падает до минимального значения.

Полевые транзисторы являются униполярными приборами (т.е. используют только один тип основных носителей заряда), обладают малой инерционностью и могут применяться при высоких частотах вплоть до 10⁹ Гц.

Следует отметить, что сходным принципом работы обладают т.н. МДП-структуры (металл – диэлектрик - полупроводник), однако там управляющая структура создается в приповерхностной области полупроводника. Если диэлектриком является окисел (например, окись кремния SiO₂), то такие изделия называются МОП-структурами. Сейчас МДП-транзисторы являются одним из основных классов полупроводниковых приборов. Способы применения МДП-структур и соответствующие схемные решения подробно рассматриваются в курсах (и учебниках) по технической электронике. Там же рассматриваются технологические вопросы создания и практического использования т.н. интегральных систем (ИС), больших интегральных систем (БИС) и сверхбольших интегральных систем (СБИС), т.е. полупроводниковых систем, содержащих очень большое число функциональных элементов электроники и реализуемых в объеме одного исходного кристалла кремния макроскопических размеров.