Биполярный транзистор, принцип работы
Методические указания к лабораторным работам по организации ЭВМ.
Теоретическое введение
Физические основы полупроводниковой электроники
Полупроводниковые материалы
· полупроводники - материалы, занимающие по своему удельному сопротивлению промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
· При производстве полупроводниковых приборов наибольшее применение нашли германий Ge и кремний Si.
· У идеальных кристаллов Ge и Si, относящихся к четвертой группе периодической системы Менделеева, все валентные электроны образуют связанную пару (ковалентная связь).
· у элементов IV группы на наружной электронной оболочке располагаются по четыре валентных электрона, то в идеальном кристалле полупроводника все ковалентные связи заполнены, и все электроны прочно связаны со своими атомами. Такие идеальные кристаллы не проводят электрический ток (рис. 2).
· При добавлении в кристалл кремния элементов из пятой группы, например сурьмы Sb или фосфора P появляется несвязанный, свободный электрон. Таким образом, в кристалле кремния возникает электронная проводимость, а полупроводник называется полупроводником n–типа.
Рис. 2. Структура ковалентных связей атома кремния
· Примесь, образующая электронную проводимость, называется донорной (рис. 3). Для получения монокристаллов кремния с электронной проводимостью используют легирующие добавки Р, As, Sb – донорные примеси.
· Добавление в кремний трехвалентной примеси, например, галлия Ga или индия In приводит к тому, что три валентных электрона индия участвуют в образовании ковалентных связей с атомом кремния, а одна связь остается свободной. Таким образом, для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону.
Рис. 3. Структура полупроводника с электронной проводимостью
В кристалле кремния образуется «дырка», способная присоединить свободный электрон.
Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p-типа, а соответствующая примесь называется акцепторной (рис. 4).
Рис. 4. Структура полупроводника с дырочной проводимостью
Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью используют легирующие добавки В, Al, Ga, In – акцепторные примеси.
· Под действием внешнего электрического поля в полупроводнике
o n-типа наблюдается движение электронов в направлении поля,
o p-типа происходит движение дырок, имеющих положительный заряд, в обратном направлении.
Хотя в обоих рассмотренных случаях в образовании электрического тока участвуют только электроны, введение фиктивных дырок с положительным зарядом удобно с методической точки зрения.
Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные – неосновными.
· В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки.
· В полупроводнике p-типа основные носители заряда – дырки, неосновные – электроны. Электроны и дырки в кристалле полупроводника находятся в состоянии хаотического теплового движения.
Действие электрического поля приводит к направленному движению зарядов в кристалле. Возникает электрический ток, который называется дрейфовым.
Причиной, вызывающей электрический ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда. В соответствии с законами теплового движения возникает диффузия электронов и дырок из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда.
Таким образом, электрический ток в полупроводниках, обусловленный движением электронов и дырок, имеет дрейфовую и диффузионную составляющие.
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными видами проводимости.
Электронно-дырочный переход или р-n переход образуется путем сплавления полупроводников типа n и типа р в единый монокристалл.
· В области р избыток дырок, часть мест для электронов в ковалентных связях свободна,
· в области n имеются слабо связанные электроны, не захваченные ковалентной связью.
Наличие градиента концентрации зарядов на границе p и n областей вызывает появление диффузионного тока – переноса заряженных частиц (электронов) через р-n переход.
· Таким образом, в области р, вследствие заполнения свободных дырок электронами, возникает некомпенсированный отрицательный заряд,
· а в области n, вследствие ухода электронов, – положительный заряд.
Наличие зарядов противоположных знаков на границе между р и n областями приводит к появлению между этими областями контактной разности потенциалов и электрического поля Едиф, называемое диффузионным.
Диффузионное поле оказывается тормозящим для движения дырок из области р и электронов из области n через р-n переход, т. е. на границе между р и n областями возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей (рис. 5).
Рис. 5. Перераспределение зарядов при соединении р и n областей
· Р-n переход обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока.
· Это свойство называется вентильным,
· а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем.
При подключении к р и n областям внешнего напряжения, направленного навстречу диффузионному, при Евн ≥ Едиф, через р-n переход начнется движение основных носителей (дырок из области р и электронов из области n), образующих прямой ток (прямое включение).
При подключении внешнего напряжения плюсом к области n, а минусом к области р (обратное включение р-n перехода) электрический ток будет определяться только неосновными носителями (электронами в области р и дырками в области n).
Поскольку концентрация неосновных носителей очень мала, обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения. При некотором значении обратного напряжения происходит пробой р-n перехода, вызывающий резкое увеличение обратного тока.
Различают электрический и тепловой пробой.
· При электрическом пробое число носителей заряда возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки полупроводника.
o Электрический пробой не приводит к выходу р-n перехода из строя. После выключения поля свойства р-n перехода полностью восстанавливаются.
· При тепловом пробое возникает перегрев полупроводника, наблюдается нарушение теплового баланса и выход р-n перехода из строя.
Биполярный транзистор, принцип работы
Биполярный транзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя, расположенными на близком расстоянии, параллельными p-n переходами (рис. 6).
Рис. 6. Структура p-n-p и n-p-n биполярных транзисторов
Транзистор состоит из трех основных областей:
o эмиттер,
o база и
o коллектор.
Для того, чтобы транзистор обладал усилительными свойствами, толщина области базы должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, т. е. большая часть носителей, инжектированных эмиттером, не должна рекомбинировать по пути к коллектору.
На границах между p и n областями возникает область пространственного заряда, причем электрические поля в эмиттерном и коллекторном переходах направлены так, что для p-n-p транзистора базовая область создает энергетический барьер для дырок, стремящихся перейти из эмиттера в коллектор, для n-p-n транзистора базовая область создает аналогичный барьер для электронов эмиттерной области.
При отсутствии внешнего смещения на переходах потоки носителей заряда через переходы скомпенсированы и токи через электроды транзистора отсутствуют.
 |
На рис. 7 показана структура биполярного транзистора как элемента микросхемы; такое расположение слоев несложно создать при помощи современных технологий производства микросхем. Однако МДП транзисторы более технологичны и поэтому они, в основном, используются в современных микросхемах.
Рис. 7. Биполярный транзистор
Чтобы транзистор работал в режиме усиления входного сигнала, эмиттерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Приложенное к эмиттерному переходу смещение уменьшает потенциальный барьер и из эмиттера в базу инжектируются электроны (в n-p-n транзисторе), или дырки (в p-n-p транзисторе), инжектированные носители достигают коллектора. Между базой и коллектором для инжектированных носителей барьера нет, поэтому все дошедшие до коллектора носители заряда переходят через коллекторный переход и создают коллекторный ток. Поскольку коллекторный переход расположен близко от эмиттерного, основная часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора; таким образом, инжекционный ток эмиттера примерно равен току коллектора. Управляющий потенциал (входной сигнал), изменяя высоту потенциального барьера, регулирует поток неосновных носителей, создающий коллекторный ток.