Транзисторы

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) изобретён в 1948 У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином (Нобелевская премия, 1956).

Транзисторы составляют два основных крупных класса: униполярные и биполярные.

В униполярных транзисторах протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака - электронами или дырками (полевой транзистор)

В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков.

Два условия работы транзистора:

- рас­стояние между эммитером и коллектором должно быть очень мало – единицы и доли микрометров. Т.е., область базы - очень тонкий слой.

- концентрация атомов примеси в области базы незначительна - во много раз меньше, чем в эмиттере.

Бездрейфовый транзистор имеют во всем объеме базы одну и ту же концентрацию примеси. Вследствие этого в базе не возникает электрического поля, и носители в ней совершают диффузионное движение от эмиттера к коллектору.

В дрейфовом транзисторе движение носителей заряда вызывается главным образом дрейфовым полем.

По электрическим характеристикам и областям применения

Различают транзисторы:

- маломощный транзистор (например: малошумящие маломощные транзисторы используются во входных цепях радиоэлектронных усилительных устройств);

- мощный транзистор (например: генераторные транзисторы, используются в радиопередающих устройствах и УНЧ);

- ключевой транзистор (используются в системах автоматического регулирования в качестве электронных ключей и цифровой технике);

- импульсный транзистор (в импульсных электронных системах), транзистор с малым временем задержки проходящего через него сигнала и малым сопротивлением в режиме насыщения. Предназначен для работы работы в импульсном режиме;

- конверсионный транзистор, германиевый транзистор, в технологии изготовления которого используется превращение (конверсия) исходного полупроводникового материала n-типа проводимости в р-тип введением меди и закалкой, применяется в высокочастотной и импульсной аппаратуре различного назначения;

- лавинный транзистор, транзистор, устойчиво работающий при напряжениях на коллекторном переходе, близких к напряжению пробоя. В этих условиях имеет место ударная ионизация, приводящая к увеличению числа носителей заряда в коллекторном переходе транзистора, применяется в генераторах коротких импульсов с крутым фронтом;

- oдноперехо́дный транзи́стор— полупроводниковый прибор с тремя электродами и одним p-n переходом, в схемах формирования импульсов;

- фототранзистор (в устройствах, преобразующих световые сигналы в электрические с одновременным усилением последних).

Режимы работы транзистора

Активный режим работы используется при усиле­нии малых сигналов, прямое напряжение подается на эмиттерный переход, а обрат­ное - на коллекторный.

В режиме отсечки оба перехода смеща­ются в обратном направлении. Ток тран­зистора в этом режиме мал, он практиче­ски заперт (транзистор заперт).

В режиме насыщения оба перехода смещаются в прямом направлении, через транзистор протекает максимальный ток, он полностью открыт (транзистор открыт).

Полевой транзистор полупроводниковый прибор, ток которого изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным напряжением.

Полевые транзисторы (ПТ) в отличие от биполярных (БТ) ряд специфических особенностей:

- высокое входное сопротивление;

- малое потребление энергии по цепи управления

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении.

Эффектом поля называется изменение концентрации свободных носителей в приповерхностном слое полупроводника (и, следовательно, его удельного сопротивления) под действием внешнего электрического поля, направленного нормально к поверхности

Режим обеднения

Под действием по­ля, направление которого показано на рис, дырки (основные носители) смещаются от поверхности вглубь полупроводника, так что их концентрация у поверхности уменьшается.

Концентрация электронов у поверхности возрастает за счет их дрейфа к поверхности под действием электричес­кого поля.

Электроны (неосновные носи­тели) притягиваются к поверхности, но их концентрация здесь остается очень малой.

Поэтому у поверхности образу­ется обедненный слой толщиной L_o6 .

Режим инверсии

При большой напряженности внешнего электрического поля наблюдается режим инверсии.

Режим обогащения

При изменении направления внешнего электрического поля возникает режим обогащения, так как дырки притя­гиваются к поверхности и образуют обогащенный слой, где их концентрация выше концентрации акцепторов.

Обога­щенный слой характеризуется повышенной проводимостью, он также экранирует полупроводник от внешнего поля.

Гетеропереход (г/п) - контакт двух различных по химическому составу полупроводников.

Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) или молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) - эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума.

Позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования.

Химическое осаждение из газовой фазы с использованием металлорганических соединений - метод получения эпитаксиального роста полупроводников, путём термического разложения (пиролиза) металлорганических соединений, содержащих необходимые химические элементы.

Гетероструктура — выращенная на подложке слоистая структура из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны.

Электрическим переходом называется область контактирования двух материальных сред с различной величиной или типом электрической проводимости

В зависимости от того, какие материальные среды контактируют, выделяют следующие виды электрических переходов (рис. 12.2):

1) Переходы Джеферсона (S-i, S-…) – это переходы, образованные сверхпроводниками и любой другой средой.

2) Поверхностные или краевые переходы – это переходы, образованные вакуумом и любой другой средой (V-i, V-Me, V-….).

3) Биметаллические переходы - это переходы, образованные двумя металлическими средами. Применяются в датчиках температуры (Мe1-Мe2).

4) Тонкокраевые переходы - это переходы, образованные диэлектриком и любой другой средой (D-I, D-p, D-n, D- …. ).

ПО ТИПУ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ и используемых в переходах материалов

Электрический переход (Переход, Elektrischer Ubergang (Sperrschicht), Junction) – переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или  разными  значениями удельной электрической проводимости (одна из областей может быть металлом).

p‑n переход

Электронно-дырочный переход (p‑n переход, pn‑Ubergang, P‑N Junction) – электрический переход между двумя областями полупроводника,  одна из которых имеет электропроводность n‑типа, а другая p‑типа.

Переход металл - п/п

Переход Шоттки (Schottky Ubergang, Schottky junction) – электрический переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником.

Переход диэлектрик - п/п

Переход металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) представляет собой структуру, в которой между слоем металла и полупроводника располагается тонкий слой диэлектрика (обычно двуокиси кремния SiO₂).

Изотипные переходы (или контакт полупроводник- полупроводник)

Электронно-электронный переход (n‑n⁺ переход, n‑n⁺‑Ubergang, N‑N⁺ junction) – электрический  переход между двумя областями полупроводника n‑типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости.

Дырочно-дырочный переход (p‑p⁺ переход, p‑p⁺‑Ubergang, P‑P⁺ junction) – электрический переход между двумя областями полупроводника p-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости.

ПО ШИРИНЕ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ

Гомогенный переход (гомопереход, Homogener Ubergang, Homogenous junction) – электрический  переход,  образованный  в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны, созданный в одном полупроводниковом материале (только в германии, только в кремнии, только в арсениде галлия).

Гетерогенный переход (гетеропереход, Heteroubergang, Heterogenous junction) – электрический переход,  образованный в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. создается на границе различных полупроводниковых материалов: германий-кремний, кремний-арсенид галлия.

ПО ВИДУ ВАХ (вольтамперной характеристики)

Выпрямляющий переход (Gleichrichterubergang, Rectifying junction) – электрический переход,  электрическое сопротивление которого при одном направлении тока больше,  чем при другом.

Омический переход (Ohmischer Ubergang, Ohmic junction) – электрический  переход,  электрическое сопротивление которого  не  зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.

ПО ГРАДИЕНТУ состава на границе

Резкий переход (Steiler Ubergang, Abrupt junction) – электрический переход, в котором толщина области изменения  концентрации  примеси  значительно меньше толщины области пространственного заряда.

Примечание. Под толщиной области понимают ее размер в направлении градиента концентрации примеси.

Плавный переход (Stetiger Ubergang, Graded junction) – электрический переход,  в котором толщина области изменения концентрации примеси сравнима с толщиной области пространственного заряда.

ПО ТЕХНОЛОГИИ изготовления перехода

Плоскостной переход (Flachenubergang, Surface junction) – электрический переход,  у которого  линейные размеры,  определяющие его площадь, значительно больше толщины.

Точечный переход (Punktubergang, Point-contact junction) – электрический переход, все размеры которого меньше характеристической длины, определяющей физические процессы в переходе и в окружающих его областях.

Диффузионный переход (Diffundierter Ubergang, Diffused junction) – электрический  переход,  полученный  в результате диффузии атомов примеси в полупроводнике.

Планарный переход (Planarubergang, Planar junction) – диффузионный переход,  образованный в результате диффузии примеси сквозь отверстие в защитном слое,  нанесенном на поверхность полупроводника.

Конверсионный переход (Konversionsubergang, Conversion junction) – электрический переход, образованный в результате конверсии полупроводника,  вызванной обратной диффузией примеси в соседнюю область, или активацией атомов примеси.

Сплавной переход (Legierter Ubergang, Alloyed junction) – электрический переход,  образованный в результате вплавления в полупроводник и последующей рекристаллизации металла или сплава,  содержащего донорные и (или) акцепторные примеси.

Микросплавной переход (Mikrolegierter Ubergang, Micro-alloy junction) – сплавной переход,  образованный в результате вплавления  на  малую  глубину  слоя  металла или сплава, предварительно нанесенного на поверхность полупроводника.

Выращенный переход (Gezogener Ubergang, Grown junction) – электричеcкий переход,  образованный при выращивании полупроводника из расплава.

Эпитаксиальный переход (Epitaxieubergang, Epitaxial junction) – электрический переход, образованный эпитаксиальным наращиванием.

Эпитаксиальное наращивание – создание на монокристаллической подложке слоя полупроводника, сохраняющего кристаллическую структуру подложки.