Диодные включения транзисторов

Для создания интегрального диода достаточно сформировать только один p-n- переход. Однако при изготовлении микросхем желательно все элементы формировать в едином технологическом процессе. Поэтому наиболее экономично использовать биполярный транзистор в диодном включении.

При этом характеристики диода-транзистора можно изменять, используя тот или иной p-n- переход путем применения одного из шести возможных вариантов включения (рис. 40).

Рис. 40. Транзистор в диодном включении

Первые два варианта анализируются наиболее просто. Так как один из переходов замкнут, то напряжение на нем равно нулю, т. е. закороченные p-n- переходы не оказывают никакого влияния на вольт-амперные характеристики рабочих p-n- переходов. В вариантах (в) и (г) второй p-n- переход никуда не подключается и влияет на рабочий переход, снижая ток насыщения получающегося диода.

Последний вариант (е) получается, если в технологическом процессе формирования транзисторной структуры исключить эмиттерную диффузию. Поскольку остается только один p‑n‑ переход, никакого влияния на него не оказывается, и вольт-амперная характеристика точно такая же, как и при закороченных выводах эмиттер – база.

Отмечая особенности рассмотренных вариантов, можно сказать, что наибольший ток пропускает диод варианта (д), наибольшим быстродействием обладает диод варианта (а), а наибольшие пробивные напряжения имеют диоды вариантов (б, г, е).

 

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Опишите физическую сущность (р-n)-перехода.

2. Опишите механизм возникновения диффузионного поля.

3. Прямое напряжение и прямой ток (режим инжекции). Обратное напряжение и обратный ток (режим экстракции зарядов). Вольт-ам­перная характеристика идеального p-n -перехода.

4. Опишите механизм перераспределения зарядов на основе моде­ли полупроводника с электронной и дырочной электропроводностью.

5. Элект­ронно-дырочный переход, контактная разность потенциа­лов.

6. Прямое напряжение и прямой ток p-n перехода.

7. Обратное напряжение и обратный ток. Вольт-ам­перная характеристика идеального p-n перехода.

8. Характеристики реальных германиевого и кремниевого p-n переходов.

9. Особенности прямой и обратной ветвей В.А.Х.

10. Электрический пробой перехода.

11. Выпрямительные диоды. Параметры диодов: I _{пр.ср.max}, U _обр.max.

12. Биполярный транзистор. Схема с общей базой. Входные и выходные характеристи­ки.

13. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером.

14. Характеристики реального p-n- перехода. Особенности прямой и обратной ветвей В.А.Х., отличие от идеального p-n- перехода.

15. Электропроводимость в собственных, n- и p-типах полупроводниковых материалах.

16. Влияние внешних факторов на электропроводимость полупроводников. 17. Контактные явления в полупроводниках (p-n-переход, переход полупроводник - металл).

18. Принцип работы полупроводникового диода и его ВАХ.

19. Методы определения типа электропроводимости полупроводников.

20. Простые полупроводники (германий, кремний): их получение, обработка, свойства.

21. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость.

 

 

ПРОСТЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Германий Ge

В 1870 г. существование германия и его основные свойства были предсказаны Д.И. Менделеевым в описании элемента эка-силиция. Это предсказание подтвердил в 1886 г. немецкий химик К.Винклер, обнаружив эка-силиций в минеральном сырье и назвав его гер­манием в честь своей родины. В земной коре содержание германия невелико и составляет при­мерно 0,001%. Германий почти не имеет своих руд. Единственная руда германид содержит меди, железа и цинка гораздо больше, чем германия. В ничтожных количествах (0,01...0,5%) германий содер­жится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде. Он рассеян в силикатах, сульфидных минералах, а также в минера­лах, представляющих собой сульфасоли. Большое количество германия (до 100 г/т) содержат бурые сорта угля.

Получают германий в результате сложного технологического процесса из продуктов сгорания бурого угля. Окончательным про­дуктом этого процесса является монокристаллический германий в виде слитков. Технологический процесс получения монокристал­лического германия состоит из следующих основных процессов:

- получение тетрахлорида германия и его очистка (тетрахлорид германия GeCl₄ образуется в процессе хлорирования и солянокислотной обработки исходного сырья);

- гидролиз тетрахлорида германия и получение из него двуокиси германия GeO₂ (после очистки тетрахлорид германия дальнейшим окислением переводят в двуокись германия, которая представляет собой порошок белого цвета);

- восстановление двуокиси германия водородом (двуокись герма­ния восстанавливают в среде водорода при температуре 650...700°С до элементарного поликристаллического германия в виде порошка серого цвета; поликристаллический порошковый германий получа­ют также непосредственно из тетрахлорида германия GeCl4 методом разложения этого соединения в атмосфере паров цинка при высо­кой температуре);

- получение поликристаллического слитка и его очистка от приме­сей зонной плавкой. Содержание примесей в поликристаллическом германии велико, поэтому он не пригоден для непосредственного употребления в полупроводниковом производстве; германий с соб­ственной проводимостью должен содержать примесей до 10¹⁹ м

- выращивание из расплавленного поликристаллического герма­ния слитка монокристалла германия, для получения монокристал­лического германия используют метод зонной плавки и вытягива­ние из расплава.

Метод зонной плавки

При зонной плавке слиток германия 3 обычно помещают в графи­товую лодочку 4, заключенную в кварцевую трубу 7, по которой непрерывно проходит инертный газ (рис. 41). При помощи витка высокочастотного контура 2 получают узкую зону плавления 6, которая медленно перемешается вдоль очищаемого образца, так как виток двигается вместе с каретой 5.

Рис. 41. Устройства для зонной плавки (1 – кварцевая трубка, 2 – витки контура высокочастотного генератора, 3 – слиток очищаемого германия, 4 – графитовая лодочка, 5 – каретка, на которой укреплены витки, 6 – зоны плавления)

Для ускорения процесса очистки используется не один виток, а несколько, что эк­вивалентно нескольким по­следовательным очисткам при одном нагревателе. В герма­нии в небольших концентра­циях обычно присутствуют Ni, Ca, Cu, Mn, As, Fe, Si. Большинство примесей обладает большей растворимостью в жидкой фазе германия, чем в твер­дой, и уносится с расплавленной зоной. Поэтому в результате очи­стки примеси концентрируются у одного конца слитка, от которого затем отрезается загрязненная часть длиной 20—25 мм. Удельное сопротивление в остальной части слитка после многократного прохождения его расплавленными зонами может быть выше 0.5 Ом×м. Удельное сопротивление германия зависит от концентрации носителей, определяемой степенью очистки.

При постепенном опускании штока в расплав медленно вводится монокристаллическая затравка, которая может быть ориентирована в определенном кристаллографи­ческом направлении. Затравка выдерживается в расплаве, пока не оплавится с поверхности. Когда это достигнуто, затравку, вращая, начинают медленно поднимать. За затравкой тянется жидкий стол­бик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением. Попадая в область низких температур над поверхностью тигля, расплав затвердевает, образуя одно целое с затравкой.