Однопереходный транзистор

Размещено на http://www.allbest.ru

Лекция 5

Однопереходный транзистор

Однопереходный транзистор (двухбазовый диод) состоит, как и выпрямительный диод, из двух областей полупроводника с разным типом проводимости, но в отличие от последнего имеет два вывода от базы (Б1 и Б2 на рис. 1.23,а).

Полярность напряжения , приложенного между выводами базы, должна быть такой, чтобы внутреннее падение напряжения в базе, вызванное током базы , смещало p-n-переход в обратном направлении. Изменяя напряжение , можно регулировать напряжение включения (рис. 1.23,б), при котором открывается p-n-переход под действием прямого напряжения . После того как откроется p-n-переход, внутреннее падение напряжения в базе резко уменьшается, поскольку из эмиттера (области с высокой концентрацией примеси) в базу (область с низкой концентрацией примеси) инжектируются подвижные носители заряда (здесь - дырки), в результате чего их число в базе резко увеличивается и уменьшается сопротивление базы. Поскольку внутреннее обратное напряжение уменьшилось, возрастет эмиттерный ток и увеличится падение напряжения на резисторе , а напряжение между эмиттером и базой уменьшится, т.е. однопереходный транзистор проявляет свойства отрицательного дифференциального сопротивления на участке эмиттер-база.

Тиристоры

Тиристор состоит из четырех областей полупроводника с чередующимися типами проводимости. Существуют неуправляемые или диодные тиристоры (динисторы) и управляемые или триодные тиристоры, называемые просто тиристорами. Структура и схема включения неуправляемого тиристора показана на рис. 1.24,а, где внешний источник напряжения через резистор подключен плюсом к p-области, называемой анодом, а минусом - к n-области, называемой катодом. Принцип действия тиристора можно понять, рассматривая его как комбинацию двух транзисторов с разным типом проводимости, база одного из которых объединена с коллектором другого и наоборот (рис. 1.24,б). Поскольку при указанной на рис. 1.24,а и б полярности внешнего источника напряжения крайние (эмиттерные) p-n-переходы открыты, а средний (коллекторный) закрыт, ток через коллекторный переход можно выразить через эмиттерные токи двух составляющих транзисторов:

.

Так как через все p-n-переходы протекает один и тот же ток (), это выражение можно записать в таком виде:

. (1.7)

При малом значении напряжения и эмиттерных токах, близких к нулю, коэффициенты и небольшие (), и через коллекторный p-n-переход, а также во внешней цепи протекает незначительный тепловой ток, что следует из выражения (1.7). Если же напряжение увеличить до определенного значения, то в обратносмещенном коллекторном переходе под действием ударной ионизации начнется процесс умножения подвижных носителей заряда, что приведет к росту коэффициентов и , в результате чего увеличатся токи и , что, в свою очередь, способствует росту и . Этот процесс развивается лавинообразно, и когда сумма значений и станет равной единице, ток , согласно выражению (1.7), резко увеличится (динистор включится), увеличится и падение напряжения на внешнем резисторе , а напряжение между анодом и катодом динистора уменьшится. Таким образом, на участке 1-2 ВАХ (рис. 1.24,в) динистор проявляет свойства отрицательного дифференциального сопротивления. При изменении полярности закрытыми оказываются эмиттерные переходы, и через динистор протекает небольшой тепловой ток, но при достаточно большом (по модулю) напряжении он может резко возрасти в результате электрического пробоя эмиттерных переходов - это нерабочий участок ВАХ динистора. Основными параметрами динистора являются координаты точек 1 и 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 1.24,в).

Чтобы уменьшить напряжение включения, достаточно увеличить начальное значение одного из коэффициентов или , что можно осуществить, увеличив ток соответствующего эмиттерного перехода, подав на эмиттерный p-n-переход прямое напряжение от дополнительного источника. Это реализуется в управляемом тиристоре, схема включения которого (с управлением по катоду) приведена на рис. 1.25,а. При достаточно большом управляющем токе участок ВАХ отрицательного сопротивления исчезает, а напряжение включения стремится к нулю (рис. 1.25,г и д).

После того как тиристор включится, управляющие свойства электрода У теряются, и чтобы его выключить, необходимо, как и в случае динистора, уменьшить анодное напряжение до величины и удерживать тиристор в таком состоянии некоторое время, необходимое для того, чтобы рассосались избыточные заряды во внутренней p- и n-области (время выключения, в зависимости от величины протекающего перед этим тока , может составлять единицы или десятки микросекунд). В отличие от рассмотренных незапираемых тиристоров выключение запираемого тиристора можно выполнить путем подачи на управляющий электрод У обратного напряжения.

Чтобы получить симметричную ВАХ, расположенную в первом и третьем квадрантах, достаточно произвести встречно-параллельное включение однотипных приборов.

Фототранзисторы и фототиристоры

Схема включения n-p-n-фототранзистора с оборванной базой приведена на рис. 1.26,а. При освещении базы в ней происходит генерация электронов и дырок, при этом неосновные носители заряда (здесь - электроны) втягиваются полем обратносмещенного коллекторного перехода в коллектор, создавая тем самым дефицит электронов в базе, для ликвидации которого эмиттер инжектирует в базу свои основные носители заряда. Поскольку в базе рекомбинирует только небольшая часть носителей заряда, пришедших из эмиттера, основная часть носителей заряда переходит в коллектор, создавая во внешней цепи ток , который значительно больше тока, образованного неосновными носителями заряда базы, возникшими в результате фотогенерации, т.е. фототранзистор усиливает начальный фототок.

При малых значениях , близких к нулю, фототранзистор работает в режиме двойной инжекции, поэтому начальный участок ВАХ крутой (сильная зависимость тока от - см. рис. 1.26,г). В режиме двойной инжекции неосновные носители заряда, возникшие в базе в результате фотогенерации, будут втягиваться как полем коллекторного, так и полем эмиттерного перехода соответственно в коллектор и эмиттер.

Для возмещения дефицита заряда в базу инжектируются основные носители заряда (здесь - электроны) как из эмиттера, так и коллектора. При увеличении обратного напряжения поток основных носителей заряда из коллектора уменьшается и на пологом участке ВАХ он полностью исчезает. В активном режиме ток коллектора пропорционально увеличивается с увеличением светового потока Ц (рис. 1.26,д).

Конструкция фототиристора предусматривает свободный доступ световому потоку к одной из внутренних областей полупроводника (n- или p-типа). Механизм действия света в этой области фототиристора подобен механизму действия в области базы фототранзистора: неосновные носители заряда, возникшие в результате фотогенерации, втягиваются полем обратносмещенного центрального p-n-перехода; возникший дефицит заряда во внутреннем слое полупроводника компенсируется носителями заряда, инжектированными крайним слоем полупроводника (на рис. 1.27,а - катодом), т.е. увеличивается эмиттерный ток. Это равнозначно действию управляющего тока в тиристоре, поэтому как вольт-амперные характеристики, так и характеристика управления фототиристора (рис. 1.27,в и г) аналогичны соответствующим характеристикам управляемого тиристора, только вместо управляющего параметра в фототиристоре параметром является световой поток Ц. Выключается фототиристор точно так же, как и незапираемый тиристор: путем уменьшения напряжения .

Маркировка полупроводниковых приборов

Условное обозначение (маркировка) полупроводниковых приборов выполняется в виде буквенно-цифрового кода и содержит информацию о назначении, основных электрических параметрах, типе исходного материала, структурно-технологических особенностях. С 1964 г. маркировка полупроводниковых приборов проводилась по ГОСТ 10862-64, ГОСТ 10862-72, ОСТ 11.336.038-77, ОСТ 11.396.419-81. Буквенно-цифровой код маркировки состоит из четырех элементов (рис. 1.28).

Элемент I определяет тип исходного материала и содержит одну букву или цифру:

Г или 1 - германий и его соединения;

К или 2 - кремний и его соединения;

А или 3 - соединения галлия;

И или 4 - соединения индия.

Элемент II определяет класс (группу) приборов и содержит одну букву:

Д - выпрямительные, импульсные диоды;

С - стабилитроны;

В - варикапы;

И - туннельные диоды;

Ф - фотоприборы;

Л - излучающие диоды;

О - оптопары;

Т - транзисторы (за исключением полевых);

П - полевые транзисторы;

Н - неуправляемые тиристоры;

У - управляемые тиристоры.

Элемент III определяет назначение, электрические свойства, порядковый номер и содержит 3 или 4 цифры. В случае оптопар вместо первой цифры в этом элементе используется буква, определяющая тип фотоэлемента: Р - резисторный; Д - диодный; Т - транзисторный; У - тиристорный.

Элемент IV определяет разновидность по параметрам из заданной группы приборов и содержит одну букву.

Интегральные схемы

Интегральная схема - это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию обработки электрических сигналов и имеющее высокую плотность упаковки элементов (и компонентов), размещенных на единой подложке. Синонимами термина “интегральная схема” являются термины “микросхема” и “интегральная микросхема”.

В зависимости от функционального назначения интегральные схемы (ИС) подразделяются на аналоговые, цифровые и аналого-цифровые, а в зависимости от технологии изготовления - на полупроводниковые и гибридные.

В полупроводниковой ИС все элементы (транзисторы, резисторы, конденсаторы) и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводника, в качестве которого (в качестве подложки) используется кремний с проводимостью p-типа. Подложка и элементы изолируются от внешней среды и межэлементных соединений диэлектриком SiO2. Этот же диэлектрик используется для изоляции металлических затворов МДП-транзисторов. Друг от друга элементы чаще всего изолируются закрытыми p-n-переходами (рис. 1.29), для чего на подложку p-типа подается (если потребуется) отрицательное напряжение. Если на p-подложке реализуется p-n-p-транзистор, то для его изоляции создается дополнительный слой n-типа (рис. 1.29,б). Точно так же поступают при реализации полевых и МДП-транзисторов с каналом p-типа. Существует и другой способ изоляции элементов - посредством диэлектрических пленок, но такой способ более трудоемок и требует большей площади подложки, зато изоляция элементов получается более качественной.

однопереходный транзистор тиристор маркировка

В цифровой схемотехнике нередко используются многоэмиттерные и многоколлекторные биполярные транзисторы, поэтому на рис. 1.29,в приведен пример структуры двухэмиттерного транзистора, а на рис. 1.30,а и б - их условное графическое обозначение (в обозначении транзисторов микросхем защитный корпус не показывается). Транзистор Шотки (рис. 1.29,г и 1.30,в) состоит из биполярного транзистора и диода Шотки, включенного между базой и коллектором транзистора.

При создании диффузионного резистора (рис. 1.29,и) используется один из слоев биполярного транзистора: базовый (), коллекторный () или эмиттерный (). Точность таких резисторов невысокая (), и они имеют большой температурный коэффициент: . Если необходимо иметь резистор с сопротивлением больше 100 кОм, то используется сопротивление канала полевого транзистора (рис. 1.29,л) - это так называемый пинч-резистор; у него нелинейное сопротивление. Конденсаторы реализуются или в виде барьерных емкостей закрытых коллекторных переходов (на рис. 1.29,к показана структура неполярного конденсатора в виде двух встречновключенных p-n-переходов), или емкостей между затвором и каналом МДП-транзисторов (рис. 1.29,м). Барьерные емкости не превышают 100 пФ, имеют невысокую добротность (до 10) и точность (), тогда как МДП-емкости могут достигать нескольких тысяч пикофарад и имеют добротность до 100.

Наибольшая плотность упаковки (число элементов на площади в 1 мм2) достигается в микросхемах на основе МДП-транзисторов - до 100 тысяч, при этом число транзисторов на единой полупроводниковой подложке (степень интеграции) может доходить до 50 миллионов и более. Толщина подзатворного окисла кремния составляет 5 нм и менее (у МНОП-транзисторов 2 нм окисла и 50 нм нитрида кремния), а толщина окисла, разделяющего уровни металлизации, - 0,6…3 мкм. При производстве современных полупроводниковых микросхем используется 0,09-микронная технология. Перечислим основные технологические операции изготовления полупроводниковых интегральных схем.

1. Подготовительные операции: цилиндрический слиток кремния диаметром 80…200 мм разрезается на тонкие пластины толщиной 0,2…0,5 мм, после чего удаляется приповерхностный слой с нарушенной кристаллической решеткой путем механической обработки (шлифовки и полировки), а окончательно - путем химического травления.

2. Эпитаксия - процесс ориентированного наращивания кристаллической решетки кремния на монокристаллической пластине за счет осаждения слоев. Добавляя примеси, можно получить слои полупроводника с заданным типом проводимости. Операции проводятся в специальных печах при высокой температуре (около C).

3. Диффузия - процесс внедрения примесей в пластину полупроводника. Проводится, как и эпитаксия, в специальных печах при высокой температуре.

4. Термическое окисление кремния применяется для получения диэлектрической пленки SiO2, выполняющей функцию защиты поверхности подложки и встроенных в нее элементов, функцию подзатворного диэлектрика в МДП-транзисторах или функцию маски, через окна которой производятся необходимые операции при создании элементов.

5. Комплекс фотолитографических операций включает в себя нанесение на окисленную пластину кремния тонкого слоя светочувствительной эмульсии (фоторезиста), засвечивание этого слоя через фотошаблон с рисунком элементов, проявление, закрепление фоторезиста, вскрытие необходимых окон на поверхности окиси кремния путем химического травления.

6. С целью создания соединений между элементами на диэлектрическую пленку со вскрытыми под выводы окнами наносится тонкий слой алюминия, который затем в ненужных местах удаляется с помощью фотолитографии. При многоуровневой металлизации для изоляции одного слоя межэлементных соединений от другого применяется напыление изоляционных пленок.

Гибридные интегральные схемы состоят из пленочных пассивных элементов (резисторов, конденсаторов) и активных компонентов в виде бескорпусных полупроводниковых микросхем, размещенных на единой диэлектрической подложке (ситалл, стекло, керамика) под одним защитным корпусом. Пленочные пассивные элементы по сравнению с полупроводниковыми имеют лучшие эксплуатационные свойства (большую точность, меньший температурный коэффициент, больший диапазон типономиналов). Пленки (резистивные, диэлектрические, проводящие) получают путем осаждения соответствующего материала из паровой или газовой фазы. Для резистивных пленок используется хром, нихром, тантал, металлокерамика; для диэлектрических пленок - моноокись кремния, окислы титана, титанад бария; для проводящих пленок - алюминий, медь, никель. Гибридная технология чаще всего применяется при создании прецизионных аналоговых микросхем и в мелкосерийном производстве. Гибридные ИС уступают полупроводниковым по плотности упаковки элементов.

В соответствии с принятой системой (ОСТ 11073915-80) условное обозначение (маркировка) интегральных схем состоит, как и полупроводниковых приборов, из четырех элементов (см. рис. 1.28).

Элемент I представляет собой одну цифру, указывающую на конструктивно-технологическое исполнение: 1, 5, 7 - полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 - гибридные; 3 - прочие.

Элемент II включает в себя две-три цифры и обозначает номер серии.

Элемент III состоит из двух букв и обозначает функциональную подгруппу и вид.

Элемент IV состоит из одной или нескольких цифр и указывает на порядковый номер разработки ИС в данной серии.

Размещено на Allbest.ru