Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

в качестве электронных ключей, фототранзисторы – для устройств, преобразующих световые сигналы в электрические с одновременным их усилением.

По максимальной рабочей частоте транзисторы подразделяют на низкочастотные для работы в звуковом и ультразвуковом диапазоне частот (до 30 МГц), высокочастотные (до 300МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц).

По конструктивным особенностям различают точечные транзисторы, содержащие один или два точечных перехода, размеры которых меньше характеристической длины, определяющей физические процессы в переходе и в прилегающих областях (за характеристическую длину может быть принята толщина области пространственного заряда (ОПЗ), диффузионная длина и пр.), и плоскостные, электрические переходы которых имеют линейные размеры, значительно большие толщины ОПЗ.

По технологии изготовления переходов плоскостные транзисторы делят на сплавные, диффузионные, конверсионные, сплавные, диффузионные, конверсионные, сплавнодиффузионные, мезатранзисторы, эпитаксиальные, планарные, планарно-эпитаксиальные, ионно-имплантационные.

В настоящее время большинство транзисторов, в том числе транзисторы интегральных микросхем, изготавливаются на основе кремния. Выпуск германиевых транзисторов ограничен.

2.2. Основные физические процессы в плоскостном транзисторе

При отсутствии внешних напряжений на переходах в области каждого p-n перехода имеется двойной электрический слой пространственного заряда (рис.2), образованный в результате диффузии основных носителей через переход. Напомним, что электронно - дырочный p-n переход можно создать внутри полупроводника, если ввести в одну его область донорную примесь, а в другую – акцепторную. При этом уже при комнатной температуре атомы примесей полностью ионизированы, т.е. концентрацию основных носителей заряда

22

вдали от границы перехода можно считать равной концентрации соответствующей примеси. На границе между областями с различными типами электропроводности возникают большие градиенты концентрации подвижных носителей зарядов. Это приводит к тому, что через границу проходят диффузионные токи (скажем, в p-области дырок много и они перемещаются туда, где их мало, т.е. в n-область, а электроны наоборот

перемещаются из n-области в p-область): Iдиф=Ipдиф+Inдиф. Направление этого тока совпадает с направлением диффузии

дырок. При своём движении, как дырки, так и электроны «оставляют» в соответствующих областях ионизированные атомы акцепторов и доноров, которые не могут принять участия в проводимости, т.к. они жёстко связаны с кристаллической решёткой полупроводника и обладают большой массой. В результате слева от границы раздела (рис.3) появляются нескомпенсированные отрицательные заряды ионизированных акцепторов, а справа - нескомпенсированные положительные заряды ионизированных доноров. Подвижные дырки и электроны при встречном движении усиленно рекомбинируют в приконтактных областях и «исчезают». Уход этих основных носителей и их рекомбинация приводит к образованию около границы слоя, обедненного подвижными носителями. Этой слой обладает относительно малой удельной проводимостью и поэтому называется запорным слоем.

Образующаяся при этом разность потенциалов вызывает появление внутреннего электрического поля в переходе 0 / ,

где - ширина области перехода, в которой располагаются ионизированные примеси. Это внутреннее поле в переходе в дальнейшем будет препятствовать « перемешиванию» дырок и электронов. Когда разность потенциалов в переходе достигнет значения φ0 , а поле φ0 /δ0 , то ток прекратится. Такое состояние p-n перехода называется равновесным, а внутренняя разность потенциалов φ0 является равновесной разностью потенциалов.

В равновесном состоянии при постоянной температуре произведение nnpn=ppnp=ni2=const, где nn- электроны в электронном полупроводнике; pp- дырки в дырочном полупроводнике; pn (дырки в электронном полупроводнике); np –

23

электроны в дырочном полупроводнике. nn и pp – являются основными носителями, а np и pn – неосновными. Например, при

комнатной температуре для германия ni2=6,25*1026 см-6, а для кремния ni2 =5*1020 см-6.

а) б) в)

а) p-n- переход без внешнего смещения; б)p-n- переход, смещенный в обратном направлении;

в) p-n-переход, смещенный в прямом направлении.

Рис. 3 Модель p-n-перехода и потенциальный барьер;

Концентрация основных носителей по обе стороны от перехода однозначно определяют величину равновесной разности потенциалов, которая может быть подсчитана по формуле, следующей из распределения Гиббса

где φт=kT/e – тепловой потенциал; k – постоянная Больцмана (1,38*10-23 Кл*в/град); e – заряд электрона (1,6*10-19 Кл); T – абсолютная температура (T=273+t˚С). При комнатной температуре T=300 К, φт =25 мВ; pp Na ,a nn Nd ,Na и Nd –

концентрации введённых в полупроводник акцепторов и доноров. Например, при Na =1017 см-3 и Nd =1015 см-3 у

германиевого перехода φ0 0,3 В, а у кремниевого φ0 0,7 В. Этот пример показывает, что равновесная разность потенциалов составляет десятые доли вольта и при прочих равных условиях

24

будет больше в том полупроводнике, у которого больше удельное сопротивление. У химически чистого кремния удельное сопротивление порядка 105 Ом*см, а у германия 50 Ом*см.

Наличие внутреннего электрического поля приводит к тому, что в узкой области δ0 полупроводник обеднен подвижными носителями (дырками и электронами), т.к. электрическое поле «расталкивает» их по обе стороны от барьера. Поэтому в отличие от однородных областей p и n сопротивление обедненного слоя шириной δ0 оказывается даже больше, чем у химически чистого полупроводника, у которого при комнатной температуре всегда имеется вполне определенная концентрация собственных дырок и электронов. Таким образом, обедненный слой имеет большое сопротивление, и его называют запорным слоем, препятствующим диффузии основных носителей. Одновременно с этим возникшее электрическое поле (поле неподвижных ионов) создаёт благоприятные условия для перехода из одной области в другую неосновных носителей, концентрация которых мала (и зависит от температуры). Так, некоторые электроны проводимости, являющиеся в р-области неосновными носителями, совершая, тепловое движение, подходят к приконтактному слою, где их захватывает электрическое поле и, совершая дрейф под действием сил этого поля, они переходят в n-область. Аналогичный процесс происходит с некоторыми дырками n-области, которые в этой области являются неосновными носителями. Следовательно, через границу двух сред существуют встречные потоки одноимённо заряженных частиц: диффузионный поток дырок из р-области и дрейфовый поток дырок из n-области и аналогично диффузионный поток электронов из n-области и дрейфовый поток электронов из р-области. Электрическое поле (потенциальный барьер) в переходе растёт до такого значения, при котором встречные потоки дырок (и аналогично встречные потоки электронов) становятся одинаковыми. Наступает состояние равновесия перехода. Для кремния φ0=0,6-0,8 В, для германия φ0=0,2-0,4 В.

25

Дрейфовый ток через границу двух сред, создаваемый неосновными носителями, называется тепловым током IT. Он имеет электронную и дырочную составляющие:IT=IpT+InT. Так как концентрация неосновных носителей относительно мала, то и ток, образуемый ими, не может быть большим. Кроме того, он практически не зависит от величины поля в p-n переходе, т.е. является током насыщения неосновных носителей. Все неосновные носители, которые подходят к переходу, совершают переход через него под действием сил поля, независимо от его величины. Концентрация неосновных носителей, а следовательно, и тепловой ток очень сильно зависит от температуры. По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому называется также обратным током (IT I0=Iдр).В общем случае для p-n перехода получаем:

При состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются. При этом

Ip-n=Iдиф-Iдр=0.

Основные носители при встречной диффузии усиленно рекомбинируют в приконтактных областях. Средняя глубина проникновения диффундирующих дырок в n-область тем меньше, чем больше там концентрация электронов проводимости. Это объясняется зависимостью времени жизни дырок в этой области от nn. То же самое утверждение справедливо для средней глубины проникновения диффундирующих электронов в p-область. Следовательно, при Na Nd запирающий слой оказывается смещённым (относительно металлургической границы) в сторону полупроводниковой области с меньшей концентрацией примеси. В общем случае толщина запирающего слоя определяется примерным равенством (при допущении равновесия и квазинейтральности):

26

где dp и dn- толщина слоя, принадлежащая p и n – областям; ε0=8,85*10-12 Ф/м – электрическая постоянная, ε – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла ( для германия 16, для кремния 12); φ – потенциальный барьер в р-n переходе (при отсутствии внешних равен φ0 – равновесной контактной разности потенциалов).

Если концентрация примеси в одной из областей оказывается на 2-3 порядка больше, чем в другой, то в этом случае запирающий слой практически сосредотачивается в области с малой концентрацией примеси, а его граница в сильнолегированной области практически совпадает с металлургической границей p-n перехода. Например, при Na»Nd членом 1/Na можно пренебречь, поэтому

слаболегированный полупроводник n – типа. Толщина запирающего слоя обычно составляет десятые доли микрона.

2.3. Вольт-амперная характеристика p-n перехода

Если к p-n переходу подвести внешнее напряжение так, чтобы направление внешнего электрического поля совпало с направлением внутреннего электрического поля перехода, т.е. подключиться минусом к р-области и плюсом к n-области, то это приведёт к увеличению напряжённости электрического поля в p-n переходе и к увеличению высоты потенциального барьера до величины φ0+Е (рис.3б). При увеличении потенциального барьера диффузия основных носителей затрудняется настолько, что ток диффузии уже при незначительном внешнем

27

напряжении практически обращается в нуль и результирующий ток перехода согласно формуле (1) Ip-n=Iдиф-I0= -I0 оказывается примерно равным обратному дрейфовому току насыщения неосновных носителей, который очень мал (единицы микроампер) из-за малой концентрации неосновных носителей. Кроме того, под действием возросшего поля основные носители будут возвращаться (отражаться) назад, что приведёт к уменьшению их концентрации на границах исходного запирающего слоя, т.е. в конечном счёте, приведёт к смещению этих границ и к увеличению толщины запирающего слоя. Напряжения указанной на рис.3б полярности, приводящее к росту потенциального барьера, называются обратными, а сам p- n переход – обратно включённым.

Если к p-n переходу подвести прямое напряжение так, чтобы электрические поля, создаваемые контактной разностью потенциалов и внешним источником, оказались противоположными, то это приведёт к уменьшению высоты потенциального барьера до значения φ0-Е (рис.3в). Снижение потенциального барьера в прямо включённом p-n переходе облегчает диффузию основных носителей, поэтому ток диффузии увеличивается. Кроме того, происходит сужение запорного слоя. При прямом включении происходит преимущественное введение носителей зарядов в те области кристалла, где они являются неосновными, поэтому этот режим работы p-n перехода называют режимом инжекции (впрыскивания) неосновных носителей. Таким образом, p-n переход обладает несимметричной вольт-амперной характеристикой (рис.4).

При прямом включении через переход проходит большой прямой ток, а при обратном - незначительный обратный ток, который практически определяется собственной электропроводностью полупроводника, сильно зависящей от температуры среды.

Установлено, что ток диффузии, как при прямом, так и при обратном напряжении изменяется по экспоненциальному закону:

Iдиф=I0exp[eU/kT] ,

28

где U-внешнее напряжение. Используя соотношение (1), получаем выражение для тока p-n перехода:

I p n Iдиф I0 I0 exp eU / kT 1 (5)

Рис.4. ВАХ p-n- перехода

Из рис. 4. видно, что p-n переход обладает резко выраженной односторонней проводимостью.

2.4. Принцип действия транзисторов

На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Соответственно различают четыре режима работы транзистора:

режим отсечки–на оба перехода подано обратное напряжение;

режим насыщения - на оба перехода подано прямое напряжение;

активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный - обратное;

инверсный режим - на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный – прямое.

При работе транзистора в качестве усилителя эмиттерный переход включают в прямом направлении, т. е. он открыт (p-n переход узкий), а коллекторный включают в обратном направлении, т.е. он закрыт (p-n переход широкий).

29

Работа p-n-p транзистора в активном режиме и включённого в схеме с общей базой показана на рис.5.

Рис.5. Распределение токов в p-n –p транзисторе.

Источник питания Ебэ подключён к эмиттерному переходу в прямом напряжении (плюсом к эмиттеру) и через эмиттерный переход проходит прямой ток. При этом из эмиттера в базу инжектируются дырки, а из базы в эмиттер – электроны. То есть ток эмиттера состоит из двух составляющих: электронной и дырочной:

Так как pэ»nδ (эмиттер легирован значительно сильнее базы), то дырочная составляющая тока эмиттера оказывается много больше электронной составляющей IЭp»IЭn, которая замыкается через цепь базы и не может участвовать в создании тока коллектора. Поэтому её и стремятся сделать по возможности малой. Отношение

называется коэффициентом инжекции (или эффективностью эмиттера).

Коэффициент инжекции близок к единице: γ =0,98-0,995. Инжектированные из эмиттера дырки в базе оказываются

30