Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [20] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233

Транзисторы не требуют расхода энергии на накал, имеют относительно малые размеры, высокую механическую прочность и обладают при правильном использовании практически неограниченным сроком службы.

2-9а. Свойства полупроводников. Чтобы лучше попять принцип действия транзисторов, рассмотрим некоторые наиболее важные характеристики полупроводниковых материалов1.

Строение атома. Согласно современным физическим представлениям атомы всех элементов состоят из ядра, имеющего определенную массу и электрический заряд, и одного или более электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра. На самой внутренней орбите может быть максимум два электрона, на следующих двух орбитах - максимум по восемь электронов, а на четвертой и пятой орбитах - максимум по десять и восемь электронов соответственно. Электроны, находящиеся на внешней орбите, называются валентными электронами. Только валентные электроны вступают во взаимодействие с другими атомами. Элементы, которые имеют четыре валентных электрона и которым не хватает четырех дополнительных электронов для заполнения внешней орбиты, представляют особый интерес благодаря своим полупроводниковым свойствам. Два таких элемента, кремний (14 электронов) и германий (32 электрона), наиболее широко используются для изготовления полупроводниковых диодов и транзисторов.

Согласно атомной теории электрические свойства элементов могут быть объяснены с помощью так называемых энергетических уровней. Считают, что валентные электроны занимают вполне определенные энергетические уровни и проводимость элемента определяется той энергией, которую нужно сообщить валентным электронам, чтобы они могли перейти со своего нормального энергетического уровня на уровень проводимости, т. е. на наибольший энергетический уровень. Типичные диаграммы энергетических уровней показаны на рис. 2-66.


проводимости,

v .

энергетическое расстояние

Проводник

валентных, i электронов §

КУроветЩ % проводимости/ ч %

энергетическое расстояние

Щ Уровень \8аленшныхщ %электраноЬ%

Диэлектрик Полупроводник

Рис. 2-66. Типичные диаграммы энергетических уровней.

Для диэлектрика энергетическое расстояние, разделяющее уровень валентных электронов и уровень проводимости, велико и валентным электронам очень трудно достигнуть уровня проводимости. Для проводника энергетический уровень валентных электронов и уровень

1 Для получения исчерпывающих сведений по этому вопросу см. W. S h о с к 1 е у, Electrons and holes in semiconductor, D. Van Nostrand Company, New York, 1950.

Inc.,

проводимости перекрывают друг друга, поэтому валентные электроны легко переходят от одного атома к другому, образуя токопроводящую среду. В полупроводнике энергетическое расстояние, разделяющее уровень валентных электронов и уровень проводимости, очень мало и тепловая энергия валентных электронов при комнатной температуре достаточна, чтобы обеспечить заметную проводимость. Энергетическое расстояние для кремния составляет 1,11 эв, а для германия 0,72 эв.

Кристаллическая структу-р а. Кристаллы германия и кремния имеют форму четырехгранника. Валентные электроны каждого атома образуют парноэлек-тронную или ковалентную связь с одним из валентных электронов четырех соседних атомов. В этих условиях кристаллы германия и кремния находятся в состоянии равновесия, они электрически нейтральны и при низких температурах обладают свойствами диэлектрика.

Однако уже при комнатной температуре некоторые валентные электроны переходят на уровень проводимости и освобождаются от своих ковалентных связей. При отрыве электрона от атома атом остается заряженным положительно. Место отсутствия электрона в кристалле называют д ы р к о й. Таким образом, в результате перехода электрона на уровень проводимости создается пара дырка - электрон. При наличии внешнего электрического поля электроны и дырки начинают двигаться в противоположных направлениях. Движение дырки обусловлено тем, что место, в котором отсутствует электрон, может быть занято электроном из соседнего атома. При этом образуется дырка в соседнем атоме, которая в свою очередь может быть занята следующим электроном. Повторение этого процесса равносильно перемещению дырки в электрическом поле. Плотность пар дырка-электрон щ возрастает с увеличением температуры по экспоненциальному закону. Для германия при комнатной температуре (300° К) щ= 1,7 • 1018 пар/см».

Полупроводники с примеся-м и. Проводимость германия и кремния можно изменять путем введения в них некоторых примесей. Рассмотрим принцип управления проводимостью применительно к германию, хотя то же самое в равной степени относится и к кремнию. Если к кристаллическому германию добавить определенное количество мышьяка или сурьмы, которые относятся к пятивалентным элементам, то их атомы образуют ковалент-ные связи с атомами германия. Так как только четыре валентных электрона могут образовать ковалентные связи с окружающими атомами германия, то пятый валентный электрон остается свободным. Энергия, необходимая для отрыва этого пятого электрона от атома, составляет приблизительное,01 эв для германия (0,05зе для кремния) при низких уровнях концентрации. Таким образом, при комнатной температуре тепловая энергия электрона достаточна, чтобы он мог перейти на уровень проводимости. Отрыв одного валентного электрона оставляет атом мышьяка или сурьмы с положительным зарядом, равным повеличине заряду электрона. Этот положительный заряд создает около атома



электрическое поле, что ведет к смещению соседних электронов, образующих ковалентные связи, и что в свою очередь ослабляет поле. При комнатных температурах тепловая энергия лишних валентных электронов достаточно высока, так что ослабленная сила притяжения атома примеси недостаточна, чтобы удержать пятый валентный электрон. Примеси, атомы которых отдают свои валентные электроны, называют донаторами, а германий, содержащий донаторные примеси, называют г е р м а-нием типа я, так как он обладает электронной проводимостью.

Если к кристаллическому германию добавить определенное количество индия или галлия, которые имеют только три валентных электрона, то эти валентные электроны также вступят в ковалентные связи с валентными электронами окружающих атомов германия. Однако в этом случае одна из четырех ковалент-ных связей, соединяющих атом индия или галлия с четырьмя окружающими атомами германия, останется незаполненной. Валентный электрон атома германия, находящегося в каком-то другом месте кристаллической решетки, может заполнить эту неполную связь, оставив на своем месте дырку. При этом атом индия или галлия получает отрицательный заряд, равный заряду электрона. Ковалентные связи с соседними электронами смещаются так, что результирующее электрическое поле ослабляется и при комнатной температуре сила поля недостаточна, чтобы притянуть дырки, образованные в германии. Примеси, которые создают недостаток электронов в кристалле, называют акцепторами, а германий, содержащий акцепторные примеси, называют германием типа р, так как он обладает дырочной проводимостью. Содержание примесей как в германии типа п, так и в германии типа р весьма мало, всего около 1015 атом/см5.

Электронно-дырочный переход (р-п). Если создать контакт между германием типа р и германием типа п, то образуется так называемый электронно-дырочный переход (р-я-переход). Такой переход обладает выпрямительными свойствами, т. е. величина тока, протекающего через переход, зависит от полярности приложенного к переходу напряжения.

Германий типа р содержит положительно заряженные дырки, которые могут свободно перемещаться, и неподвижные отрицательно заряженные атомы акцептора. Германий типа л содержит свободные электроны и неподвижные положительно заряженные атомы донатора. Кристаллы германия типа р и германия типа л электрически нейтральны, так как положительные и отрицательные заряды в каждом из них уравновешивают друг друга. Однако при наличии контакта между ними свободные электроны диффундируют в область р, а дырки - в область л. Такая диффузия приводит к тому, что дырочная область заряжается отрицательно, а электронная - положительно. Это иллюстрируется рис. 2-67, В результате между электронной и дырочной областями устанавливается некоторая разность потенциалов (или потенциальный барьер), которая препятствует диффузии и заставляет электроны

области л и дырки области р удаляться от перехода. Таким образом, избыточный заряд в каждой области концентрируется вблизи перехода. Тепловая энергия дырок и электронов достаточна, чтобы заставить некоторое количество дырок в области р преодолеть потенциальный

Область р Область п

J овв.в, / 9t©t©t©l

© © ©© ©ж© © ©©©©

©д.©,©* ©„©© © e;©.o;e:i ©:© © © ©Дев.1 et©©.© ©К©!© ©®<э©

>

в) г)

Рис. 2-67. Распределение зарядов в электронно-дырочном переходе {р-п) в состоянии равновесия. а - распределение зарядов при отсутствии перехода; б - распределение зарядов при наличии перехода; в - потенциал электростатического поля у перехода; г - распределение плотности заряда у перехода.

барьер у перехода и перейти в область л и соответствующее количество электронов из области п перейти в область р. Эти электроны и дырки двигаются в новых для них областях в течение какого-то промежутка времени, называемого временем жизни, и затем соединяются с зарядами противоположного знака. Однако за счет тепловой энергии происходят непрерывное образование пар дырка-электрон в обеих областях и обратный переход электронов и дырок соответственно в область лив область р в результате их теплового движения и действия ускоряющего поля потенциального барьера. Таким образом, ток диффузии и ток проводимости компенсируются. При любой температуре образование и рекомбинация пар дырка-электрон уравновешены и соответствующая концентрация дырок и электронов в материале определяется величиной тепловой энергии.

Если к германию типа л подвести плюс, а к германию типа р минус от внешнего источника напряжения, то потенциальный барьер между электронной и дырочной областями увеличится. Количество электронов, переходящих в область р, и дырок, переходящих в область л, т. е. прямой ток /пр, уменьшается. Обратный ток /обр за счет электронов, переходящих в область л, и дырок, переходящих в область р, остается практически постоянным. Внешнее напряжение такой полярности называется обрати ы м напряжением. При некоторой величине обратного напряжения прямой ток /пр уменьшается до нуля, а обратный ток /0бр остается без изменения. Таким образом, во внешней цепи установится небольшой ток постоянного значения.

Если приложить к переходу прямое напряжение, т. е. к германию типа р подвести плюс, а к германию типа л минус, то количество электронов, переходящих в область р, и дырок, переходящих в область л, сильно увеличится. При этом обратный ток /0бр остается почти без изменения. По мере увеличения прямого напряжения величина общего тока /пр - /о6р возрастает по экспоненциальному закону. Изменение потенциального барьера р-л-перехода в зависимости от полярности внеш-



него напряжения представлено на рис. 2-68. Для прямого напряжения, вызывающего большой прямой ток, обратный потенциал через переход почти полностью уничтожается.

Через переход возникает относительно большой токпри значениях прямого напряжения

более нескольких 1т десятых долей воль-

та. Однако, чтобы получить на переходе это напряжение, к внешним зажимам р-л-перехо-да надо приложить значительно большее напряжение (порядка 1 е), так как сам германий типа р и типа п обладает сопротивлением и на нем будет падение напряжения за счет проходящего через переход тока. При высоких значениях прямого напряжения потенциальный барьер почти равен нулю и единственным препятствием для тока является сопротивление германия с примесями. транзисторы. Если присоединить еще один слой типа п или р к электронно-дырочному переходу р-п, то полу-


Рис. 2-68. Изменение потенциального барьера в зависимости от полярности внешнего напряжения, а - внешнее напряжение отсутствует; б - обратное напряжение; б - прямое напряжение.

Плоскостные


р

(Эмиттер}

"1

(Коллектор]

~ (Эми.

<Эмиттер)\ „тт1

Рис 2-69 Схемы, поясняющие работу плоскостного транзистора.

а - схематическое изображение конструкции плоскостного транзистора типа п-р-п; б - схематическое изображение конструкции плоскостного транзистора типа р-п-р, б - распределение потенциала в транзисторе типа п р-п при отсутствии внешних напряжений; г - схема подачи постоянных напряжений на транзистор типа п-р-п, д - распределение потенциала в транзисторе типа п-р-п при подаче постоянных напряжений.

чится плоскостной транзистор типа п-р-п или р-п-р. На рис. 2-69, а и б дано .схематическое изображение этих двух основных типов транзисторов. Средний слой называется базой (или основанием), один из наружных слоев - э м и т-т е р о м, другой - коллектором.

Принцип работы плоскостного транзистора. При отсутствии внешних напряжений распределение потенциала в транзисторе типа п-р-п соответствует кривой на рис. 2-69, б. При подаче постоянных напряжений, как показано на рис. 2-69,г, через переход эмиттер - база протекает относительно большой прямой ток, а через переход база - коллектор относительно малый обратный ток, так как к этому переходу приложено обратное напряжение. Однако, если ширина слоя р мала по сравнению со средней длиной пути электрона до его рекомбинации с дыркой, то большая часть электронов, прошедших через переход эмиттер-база, диффундирует к переходу база-коллектор, где под влиянием электрического поля втягивается в коллектор. Таким образом, почти весь электронный ток эмиттера складывается с обратным током коллектора. Распределение потенциала в транзисторе типа п-р-п при подаче постоянных напряжений показано на рис. 2-69, д.

Когда на коллекторный переход подано обратное напряжение, ток коллектора фактически не зависит от напряжения на коллекторе, так как обратный ток не зависит от высоты потенциального барьера. В результате сопротивление коллектора гк может быть порядка нескольких мегом. Отношение изменения тока коллектора Д/к к вызвавшему его изменению тока эмиттера Д/э называется коэффициентом усиления по току и обозначается а:

А/к А/.

- const

(2-63)

где UK - напряжение на коллекторе по отношению к базе.

Значение о для плоскостных транзисторов всегда меньше единицы и обычно колеблется в пределах от 0,95 до 1,0. Однако, когда плоскостной транзистор работает по схеме с общим эмиттером, отношение изменения тока эмиттера или коллектора к изменению тока базы обычно бывает в пределах от 20 до 100, что дает большое усиление по току. Так как сопротивление цепи коллектора много больше сопротивления цепи эмиттера, то схема с общей базой дает большое усиление по мощности, несмотря на то, что коэффициент усиления по току меньше единицы.

Принцип работы транзистора типа р-п-р аналогичен принципу работы транзистора типа п-р-п. Разница заключается в изменении полярности подводимых постоянных напряжений и в том, что носителями тока эмиттера являются дырки, а не электроны.

Высокочастотные явления. На работу плоскостного транзистора в области высоких частот оказывают неблагоприятное влияние следующие основные факторы: емкость коллекторного перехода, фазовый сдвиг и разные скорости диффузионного движения носителей заряда.

Носители заряда, т. е. электроны и дырки, как базы, так и коллектора под влиянием обратного напряжения удаляются от области коллекторного перехода, оставляя у перехода заряженные атомы донатора и акцептора. Плотность носителей заряда возрастает с увеличе-

3 Справочник радиоинженера



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [20] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233



0.0117