Биполярные и полевые транзисторы

Транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя и более выводами, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

В зависимости от того, носители одного или обоих знаков участвуют в образовании тока, различают униполярные и биполярные транзисторы соответственно.

Основу биполярного транзистора составляет транзисторная структура с двумя взаимодействующими p-n-переходами, обладающая усилительными свойствами. На рисунке 4.12 показана структура такого транзистора с выводами от каждой области.

В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторные структуры p-n-p и n-p-n.

На рисунке 4.12 показаны схемы и условные обозначения этих структур. Среднюю часть кристалла с электрическим выводом называют базой, одну из крайних – эмиттером, вторую – коллектором.

Рисунок 4.12 – Типы транзисторов (а) и их условное обозначение (б)

Переход между эмиттером и базой обычно называют эмиттерным, а между коллектором и базой – коллекторным. В зависимости от напряжения смещения переходов различают три режима включения: активным, отсечки и насыщения.

В активном режиме один из переходов смещен в прямом направлении, другой – в обратном. Если в прямом направлении включен эмиттерный переход, то такой режим называют нормальным. Токи во внешних цепях в активном режиме определяются высотой управляемого потенциального барьера открытого перехода, т. е. способностью перехода инжектировать неосновные носители в базу.

Режим отсечки имеет место в том случае, когда оба перехода смещены в обратном направлении. В этом случае токи во внешних цепях малы и соизмеримы с обратным током одного из переходов. О транзисторе при этом говорят, что он заперт.

В режиме насыщения оба перехода открыты, в базу инжектируются неосновные носители из области эмиттера и из области коллектора. Так как оба перехода открыты, то на структуру падает небольшое напряжение. По этой причине режим насыщения часто используют в тех случаях, когда транзистор выполняет роль ключа, предназначенного для замыкания цепи. Размыкание цепи осуществляется переводом транзистора в режиме отсечки, при этом транзисторная структура обладает большим сопротивлением.

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, работа которого основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, а усилительные свойства обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака, протекающим через проводящий канал.

Управляющий электрод, изолированный от канала, называют затвором. По способу изоляции затвора различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n -переходом, или с p-n-затвором, и изолированным затвором.

Транзистор с управляющим затвором

Истоком называется электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале. Электрод, к которому движутся носители заряда, называется стоком. Управляющее напряжение прикладывают к третьему электроду, называемому затвором. Структура такого транзистора со схемой подачи напряжений и напряжений тока стока изображена на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 - Структура полевого транзистора

Принцип работы полевого транзистора с управляющим переходом основан на изменении сопротивления канала за счет изменения под действием обратного напряжения ширины области p-n-перехода, обедненной носителями заряда. Так как во входной цепи ток практически отсутствует, в такой структуре существует возможность усиления по мощности.

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим переходом являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между стоком и истоком открытого транзистора.

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом тем, что электрод затвора изолирован от полупроводниковой области канала слоем диэлектрика. Эти транзисторы имеют структуру металл – диэлектрик – полупроводник, и называется кратко МДП-транзисторами. Если в качестве диэлектрика используется оксид кремния, то их называют также МОП-транзисторами.

МДП-транзисторы могут быть двух видов: с индуцированным каналом (канал наводится под действием напряжения, приложенного к затвору) и со встроенным каналом (канал создается при изготовлении). МДП-транзисторы с индуцированным каналом изображены на рисунке 4.14. Они выполнены на основе кристаллической пластинки 1 слабо легированного n -кремния, называемого подложкой П. В толще подложки созданы две сильно легированные области 2 с противоположным типом электропроводности p (или p +). Металлические пластинки 5 над ними с проволочными выводами являются электродами истока И и стока С. Поверхность кристалла между указанными областями покрыта диэлектрическим слоем диоксида кремния SiO ₂ 3, который изолирует электрод затвора 3 от области канала. На границе областей p у истока И – стока С образуется p-n -переходы, один из которых при любой полярности напряжения стока оказывается включенным в обратом направлении и препятствует протеканию тока I c.

Рисунок 4.14 – Структуры МДП-транзисторов: а) с индуцированным каналом; б) со встроенным каналом

В рабочем режиме транзистора канал 4 возникает (индуцируется) под воздействием соответствующего напряжения на затворе. При отрицательном напряжении затвора электрическое поле через диэлектрик проникает в глубь подложки, выталкивает из нее электроны и притягивает дырки (обогащает приповерхностный слой). При некотором напряжении, называемом пороговым U _ЗИ1пор, между стоком и истоком образуется проводящий канал, имеющий такой же тип электропроводности, как и у стока и истока.

Толщина канала (инверсного слоя) незначительная, дырки индуцированного канала «сжаты» в приповерхностном слое. Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки, но также из слоев p -типа стока и истока.

В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. В зависимости от полярности напряжения на затворе канал может обогащаться дырками (сопротивление канала падает) либо обедняться, вплоть до прекращения тока – U _ЗИотс. Полевые транзисторы успешно применяются в различных усилительных и переключающихся устройствах, их часто используют в сочетании с биполярными транзисторами.

Элементы интегральных схем

Основными элементами полупроводниковых интегральных схем (ИС) являются биполярные и полевые транзисторные структуры. В схемах, как правило, применяются планарные транзисторные элементы, у которых эмиттерные, базовые и коллекторные области выходят на одну сторону подложки. На этой же стороне подложки, на ее поверхности, располагается и контактные выводы от этих областей.

Основой для изготовления ИС служит полупроводниковая пластина кремния с проводимостью p -типа, на которую наносят тонкий эпитаксиальный слой n -типа. В этом случае протравливают канавки для разделения отдельных элементов схемы. Путем диффузии в эпитаксиальный слой под канавками вводятся примеси p -типа, вследствие чего между созданной областью p -типа и примыкающими к ней участками эпитаксиального слоя n -типа образуются p-n- переходы, служащие для изоляции отдельных элементов схемы. С этой целью при работе схемы на подложку подают наибольший отрицательный потенциал, и p-n -переходы оказываются включенными в обратном направлении, т. е. между элементами отсутствует электрическая связь.

Рисунок 4.15 – Поперечное сечение фрагмента микросхемы

На оставшихся участках эпитаксиального слоя n-типа создают необходимые структуры для получения активных и пассивных элементов. Так, путем двойной диффузии может быть создана планарная p-n -структура с выводами от всех электродов в одной плоскости. При образовании полупроводниковой структуры большую роль играет пленка диоксида кремния, которая предохраняет поверхности от внешних воздействий. В промежуточных операциях по изготовлению полупроводниковой структуры эта пленка служит экраном, предохраняющим от диффузии примесей те участки, в которых необходимо сохранить прежний тип проводимости. В процессе изготовления полупроводниковых ИС широко используют метод фотолитографии, сущность которого кратко сводится к следующему.

Поверхность пластины покрывают слоем фоторезиста — материала, чувствительного к ультрафиолетовому облучению. Затем пластину облучают через фотомаску, имеющую рисунок, соответствующий последующей технологической операции. Облученные участки фоторезиста после операции закрепления полимеризуются, поэтому на них не действуют травители, с помощью которых на необлученных участках удаляют слой диоксида кремния с фоторезистом. В дальнейшем производится диффузия примесей в протравленные «окна», покрытие слоем диоксида кремния и, если необходимо, снова слоем фоторезиста с последующим облучением через новую фотомаску и т. д.

В ходе изготовления интегральной схемы обычно приходится использовать несколько фотомасок и выполнять соответственно несколько по существу одинаковых технологических операций. Однако число операций здесь примерно такое же, как и при изготовлении дискретного планарно-эпитаксиального транзистора, а число одновременно изготовляемых из одной пластины схем может быть достаточно велико, поэтому стоимость производства унифицированных ИС сравнима со стоимостью производства дискретных транзисторов.

Лекция 5 Формы представления и преобразования информации

5.1 Общие принципы представления информации

5.2 Числовая система ЭВМ

5.3 Представление символьной информации в ЭВМ

5.4 Форматы данных