В предыдущей лекции о диодах мы уже уяснили основное правило – поток энергии устремлён оттуда, где её объёмная плотность выше, туда, где эта плотность меньше, то есть из зоны n-типа – в зону р-типа и далее по замкнутой электрической цепи.
И ещё, следует добавить не менее важное правило – если положительно заряженные «дырки» движутся в пределах полупроводника в одном направлении, то в противоположном направлении движутся отрицательно заряженные электроны.
Такое же правило действует и для транзистора, ибо он состоит из двух противоположно включённых диодов. А главное отличие состоит в том, что работой транзистора мы можем управлять, регулируя силу тока, протекающего через эмиттерный переход (между эмиттером и базой). Для этого на эмиттерном переходе необходимо обеспечить соответствующую разность потенциалов (напряжение).
Этот переход всегда (это очень важно!) включается в прямом направлении (см. рис. 6 в предыдущей лекции - Диоды). Кроме этого, в транзисторе имеется ещё один (второй) переход, который мы называем коллекторным. Он включён в обратном направлении (см. рис. 7 в той же лекции – Диоды).
Различают транзисторы NPN- и PNP-типа. В первом базой – Б (от греческого basis – основа) является полупроводник с дырочной р-электропроводностью (положительный заряд), а во втором – с электронной n-электропроводностью (отрицательный заряд). Крайние электроды носят названия коллектор – К (от латинского collector – сборщик) и эмиттер – Э (от латинского emitto – выпускаю). Подключённые к этим электродам полупроводники по типу проводимости одинаковы. Однако, с целью получения устройства с необходимыми характеристиками, слой, именуемый эмиттером, делают более легированным примесями, чем коллектор. Как результат, допустимое коллекторное напряжение увеличивается. Кстати, базовый слой тоже слаболегирован и отличается большим уровнем омического сопротивления.
С целью увеличения коэффициента передачи тока, площадь коллекторного p-n-перехода значительно превосходит размер эмиттерного перехода (см. рис. 1). Быстродействие биполярных транзисторов зависит от толщины базового слоя: чем он толще, тем медленнее функционирует вся схема. Но крайне истончать этот слой тоже нельзя. Уменьшение его толщины приводит к значительному уменьшению предельного коллекторного напряжения. Поэтому подбор правильного размера базы осуществляется с учётом обоих этих явлений.
Самые первые модели транзисторов выполнялись с применением металлического германия. Сейчас для этих целей используются, в основном, монокристаллический кремний или монокристаллический арсенид галлия. При этом преимущественно изготовляют транзисторы NPN-типа, в которых основными носителями заряда являются электроны, имеющие подвижность в два-три раза выше, чем подвижность дырок.
Теперь рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы транзистора NPN-типа (см. рис. 2). Для этого подключим к нему источник тока «плюсом» к коллектору (n – зона), а «минусом» – к эмиттеру (тоже n – зона). Кроме этого нам понадобится ещё один источник тока, который мы должны подключить «плюсом» к базе (p – зона), а «минусом» к эмиттеру.
Если разность электрических потенциалов «база-эмиттер» ниже, чем 0,6 – 0,7 В, то через «диод» между эмиттером и базой ток не протекает (эмиттерный переход закрыт), а «диод» между коллектором и базой вообще включён в обратном направлении и ток через себя тоже не пропускает. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.
При появлении достаточного напряжения между эмиттером и базой преодолевается потенциальный барьер на эмиттерном переходе и приходящие из внешней электрической цепи в эмиттер электроны устремляются к положительно заряженному электроду базы по пути рекомбинируя с дырками p – зоны. В результате возникает ток базы.
Толщина p – зоны достаточно мала и большинство электронов достигают коллекторного перехода, устремляясь далее к положительно заряженному электроду коллектора. В результате возникает ток коллектора. Транзистор открыт. Отношение величин коллекторного тока к току базы называется коэффициентом передачи тока или коэффициентом усиления по току. Это значение обычно находится в диапазоне 10 – 1000.
Процессы, происходящие во время работы транзисторов PNP-типа и NPN-типа
аналогичны. Разница лишь в том, что основной источник тока теперь подключаем «плюсом» к эмиттеру (p – зона), а «минусом» – к коллектору (тоже p – зона). С базой, как мы уже знаем, связан полупроводник с электронной n-электропроводностью (см. рис. 3) и от второго источника тока подаём на базу отрицательный относительно эмиттера потенциал.
Режим отсечки здесь точно такой же, как и в первом случае (тот текст можно повторить «слово в слово»). Потенциальный барьер на эмиттерном переходе тоже преодолеваем подачей соответствующего напряжения между эмиттером и базой. При этом, приходящие от базы электроны устремляются к положительно заряженному эмиттеру, по пути рекомбинируя с дырками, а дырки, наоборот, устремляются через эмиттерный переход в противоположную сторону к отрицательно заряженной базе. В результате возникает ток базы.
Мы помним, что толщина слоя проводника базы достаточно мала и многие дырки, прошедшие эмиттерный переход, непременно достигают коллекторного перехода и тут же устремляются к отрицательному электроду коллектора. Соответственно, электроны от коллектора устремляются в противоположную сторону к положительно заряженному эмиттеру. Транзистор открыт. Всё происходит точно так же, как и в первом случае, только там мы рассматривали электронную проводимость, а в этом случае – дырочную.
Рассмотренные нами транзисторы управляются током базы. Однако есть и такой транзистор, который управляется напряжённостью электрического поля между его затвором и соответствующим каналом проводимости. И такой транзистор мы называем полевым.
Существует несколько разновидностей полевых транзисторов, но мы рассмотрим здесь только самые эффективные с индуцированным каналом (см. рис. 4, 5 и 6).
На рисунке мы видим четыре электрода (Исток, Затвор, Сток и Подложка), но полевой транзистор имеет три вывода, ибо Исток и Подложка соединены между собой. Поэтому диод между Истоком и Подложкой закорочен, а оставшийся диод между Стоком и Подложкой (значит и Истоком) всегда изображается в условном обозначении транзистора (включён в обратном направлении).
Подложка изготавливается из кремния с легированием P-типа (см. рис. 4). Затем на Подложку наносится изолирующий слой. Для этого её поверхность окисляется (слой двуокиси кремния является хорошим изолятором). Далее в окисле вскрываются «окна» для электродов Истока и Стока, под которыми методом диффузии сильно легируют Подложку примесью из пятивалентного донора, образующего полупроводники N-типа. А там, где окисел остался нетронутым (на месте затвора) наносится металл. Такие транзисторы называются МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник). Часто, чтобы подчеркнуть, что диэлектриком является окисел, их называют МОП-транзисторами (металл – окисел – полупроводник).
Принцип действия таких транзисторов основан на изменении проводимости приповерхностного слоя Подложки на границе с диэлектриком под действием электрического поля. Этот приповерхностный слой является токопроводящим каналом. Если между Затвором и Подложкой (значит и Истоком) нет разности потенциалов, то канал отсутствует или, как говорят, канал нормально закрыт.
Если на Затвор подать положительный относительно Истока потенциал (см. рис. 5), то электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приповерхностный слой Подложки, выталкивая вглубь основные носители зарядов (дырки) и притягивая электроны. Так образуется тонкий инверсный слой – канал из свободных электронов – соединяющий Сток с Истоком.
Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжением.
Изменение напряжения на затворе относительно Истока вызывает изменение толщины и электропроводности канала, а, следовательно, изменяет и ток стока.
Устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом Р-типа показано на рис. 6. Здесь мы должны подавать на Затвор отрицательный относительно Истока потенциал (потенциал на Затворе должен быть меньше потенциала на Истоке).
При отсутствии напряжения на Затворе относительно Истока у полевых транзисторов с индуцированным (нормально закрытым) каналом практически отсутствует ток даже при наличии напряжения между Стоком и Истоком. Поэтому такие транзисторы широко применяются в микропроцессорах и микро ЭВМ.