Биполярные и полевые транзисторы, тиристоры

Основные физические процессы в биполярных транзисторах.

Формулы Молла-Эберса.

Вольтамперные характеристики биполярного транзистора.

Дифференциальные параметры биполярного транзистора.

Параметры транзистора как четырехполюсника.

Схема Дарлингтона.

Дрейфовые транзисторы.

Основные физические процессы в полевых транзисторах (ПТ) со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП).

Малосигнальные параметры МДП ПТ.

Вольтамперные характеристики МДП ПТ.

Метал – нитрид – оксид – полупроводник (МНОП) ПТ.

Метал – оксид – полупроводник (МОП) ПТ с плавающим затвором.

Полевой транзистор с затвором в виде p-n – перехода.

Основные физические процессы в динисторе и тиристоре.

Вольтамперные характеристики динистора и тиристора.

Литература [1–3, 5–9, 12, 18–26, 32–35, 37–39].

Транзисторомназывается полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора. Переход, который образуется на границе эмиттер – база, называется эмиттерным, а на границе база – коллектор – коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-р и n-р-n. По технологии изготовления транзисторы делятся на сплавные, планарные, а также диффузионно-сплавные, мезапланарные и эпитаксиально-планарные.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1. Режим отсечки– оба p-n – перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток.

2. Режим насыщения– оба p-n – перехода открыты.

3. Активныйрежим – один из p-n – переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения U _э > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу I _эр и электронов из базы в эмиттер I _эn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок I _эр будет значительно превышать ток электронов I _эn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу, и если ширина базы W много меньше диффузионной длины L _p, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного p-n-р перехода будут переброшены в р -область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером.

Формулы Молла – Эберса являются универсальными соотношениями, которые описывают характеристики биполярных транзисторов во всех режимах работы. Они полезны для анализа статических характеристик биполярного транзистора при любых сочетаниях знаков токов и напряжений.

Основными величинами, характеризующими параметры биполярного транзистора, являются: коэффициент передачи тока эмиттера α, сопротивление эмиттерного (r _э) и коллекторного (r _к) переходов, а также коэффициент обратной связи эмиттер – коллектор μ _эк.

Система h -параметров используется как комбинированная система, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе и режим холостого хода на входе. Реализовать режим разомкнутого входа для биполярного транзистора достаточно просто (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому размыкающее сопротивление в цепи эмиттера в несколько кОм уже позволяет считать реализованным режим холостого хода). Реализовать режим короткого замыкания на выходе для биполярного транзистора тоже просто (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам Мом, а замыкающие сопротивления в цепи коллектора могут быть даже сотни Ом). Коэффициенты в уравнении для h -параметров имеют следующие значения: h₁₁ – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе; h₂₂ – выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи; h₁₂ – коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи; h₂₁ – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Создание мощного высоковольтного транзистора, предназначенного для работы в режиме переключения и характеризующегося переходом из закрытого состояния с высоким обратным напряжением в открытое состояние с большим током коллектора, т.е. с высоким коэффициентом β, имеет схемотехническое решение, когда определенным образом соединенные два биполярных транзистора имеют характеристики как для одного транзистора с высоким коэффициентом передачи β эмиттерного тока. Такая комбинация получила название составного транзистора, или схемы Дарлингтона. Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно составляет несколько десятков (β ₁, β ₂ >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора, определяющийся произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов β _Σ ≈ β ₁∙ β ₂, может быть достаточно большим по величине.

В биполярных транзисторах процесс переноса инжектированных носителей через базу является диффузионным, поскольку электрическое поле в базе отсутствует. При диффузионном переносе скорость направленного движения носителей невысока и, следовательно, время переноса носителей через базу будет большим. Для повышения быстродействия транзисторов необходимо уменьшить время пролета, а следовательно, увеличить скорость движения инжектированных носителей в базе. Одним из способов этого будет переход от диффузионного к дрейфовому механизму переноса в базе. В случае неоднородно легированной базы (причем вблизи эмиттера база должна быть сильно легирована, а вблизи коллектора – слабо) электрическое поле в базе направлено от эмиттерного перехода к коллекторному. При инжекции неосновных носителей (дырок) они будут ускоренно двигаться в электрическом поле и добавят к диффузионному процессу переноса через базу дополнительно дрейфовый перенос. Время переноса в дрейфовых транзисторах будет в 3÷5 раз меньше, чем в диффузионных транзисторах.

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл – диэлектрик – полупроводник является эффект поля. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод – затвор. Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т. е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от объема подложки слоем обеднения. В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме полупроводника. Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи вызовет изменяющийся, в соответствии с изменением сопротивления канала, ток стока и тем самым будет реализован эффект усиления. Таким образом, МДП-транзистор является сопротивлением, регулируемым внешним напряжением.

Для МДП-транзистора характерны следующие малосигнальные параметры: крутизна характеристики S, внутреннее сопротивление R _i, коэффициент
усиления μ.

В МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное покрытие. В качестве первого диэлектрика используется туннельнопро­зрачный слой двуокиси кремния. В качестве второго диэлектрика используется толстый слой нитрида кремния. Нитрид кремния имеет глубокие ловушки в запрещенной зоне и значение диэлектрической постоянной ε в два раза более высокое, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния. Ширина запрещенной зоны нитрида меньше, чем ширина запрещенной зоны окисла. При подаче импульса положительного напряжения + V _GS на затвор, вследствие разницы в величинах диэлектрических постоянных окисла и нитрида в окисле, возникает сильное электрическое поле. Это поле вызывает туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид. Инжектированные электроны захватываются на глубине уровня ловушек в запрещенной зоне нитрида кремния, обусловливая отрицательный по знаку встроенный в диэлектрик заряд. После снятия напряжения с затвора инжектированный заряд длительное время хранится на ловушечных центрах, что соответствует существованию встроенного инверсионного канала. При подаче импульса отрицательного напряжения - V _GS на затвор происходит туннелирование электронов с ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника. При снятии напряжения с затвора инверсионный канал исчезает. Таким образом, на базе МНОП ПТ возможно построение энергонезависимой памяти.

Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу работы похож на МНОП-транзистор. Только в транзисторах с плавающим затвором инжектированный заряд хранится на плавающем затворе, находящемся между первым и вторым подзатворными диэлектрическими слоями.

У полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р-n – перехода, омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема, заключенная между обедненными областями р-n – переходов – каналом, а сильно легированные области сверху и снизу – затвором полевого транзистора. При приложении напряжения к затвору ПТ, которые обеспечивают обратное смещение р-n – перехода, происходит расширение обедненной области р-n – перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка. При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток-сток вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения сток-исток необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р-n – перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжения на затворе. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р-n – перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Тиристор– это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n – переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением; используется для переключения.

Тиристор представляет собой четырехслойный р ₁ -n ₁ -р ₂ -n ₂ прибор, содержащий три последовательно соединенных р-n – перехода (П1, П2 и П3). Обе внешние области называют эмиттерами (Э1, Э2), а внутренние области – базами (Б1, Б2) тиристора. Переходы П1 и П2 называются эмиттерными, переход П3 – коллекторный переход.

Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и называется диодным тиристором (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

В открытом состоянии все три перехода смещены в прямом направлении. Это происходит вследствие накопления объемных зарядов в базах n ₂, p ₂ тиристора. Электроны, инжектированные из n ₂-эмиттера в р ₂-базу, диффундируют к р-n – переходу коллектора П3, проходят его и попадают в n ₁-базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П1. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n ₁-базы, образует отрицательный избыточный заряд. Инжектированные дырки из эмиттера р ₁ в базу n ₁ диффундируют к р-n – переходу коллектора П3, проходят через него и попадают в базу р ₂. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П2. Следовательно, в базе р ₂ происходит накопление избыточного положительного заряда. В результате накопления избыточного положительного заряда в базе р ₂ и отрицательного заряда в базе n ₁ переход П3 смещается в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре.

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора на прямой ветви имеет три различных участка. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению, подаваемому на первый p ₁-эмиттер тиристора. Первый участок характеристики соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения падает на коллекторном переходе П2, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П1 и П2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n – перехода. При достижении прямого напряжения, называемого напряжением включения или тока, называемого током включения, ВАХ тиристора переходит на третий участок, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Второй участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением не наблюдается на статических ВАХ тиристора.

Вопросы для самопроверки:

1. Структура биполярного транзистора.

2. Принцип работы биполярного транзистора.

3. Основные схемы включения биполярного транзистора.

4. Формулы Молла-Эберса.

5. Вольтамперная характеристика биполярного транзистора.

6. Дифференциальные параметры биполярного транзистора.

7. h – параметры.

8. Эквивалентные схемы биполярного транзистора.

9. Схема Дарлингтона.

10. Принцип работы дрейфового транзистора.

11. Структура МДП ПТ.

12. Принцип работы МДП ПТ.

13. Малосигнальные параметры МДП ПТ.

14. Вольтамперная характеристика МДП ПТ.

15. Принцип работы МНОП ПТ.

16. Принцип работы МОП ПТ с плавающим затвором.

17. Принцип работы ПТ с затвором в виде p-n – перехода.

18. Структура тиристора.

19. Принцип работы динистора и тиристора.

20. Вольтамперная характеристика тиристора.

Дата добавления: 2015-05-07