Занятие 15 Цель занятия актуализация опорных знаний и формирование новых знаний
 Скачать 1.64 Mb.
|
ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКАТема 1.3. Биполярные транзисторыПонятие о биполярных транзисторах, их разновидности, назначение, обозначение на электрических схемахЗАНЯТИЕ № 15Цель занятия: актуализация опорных знаний и формирование новых знанийСлово «транзистор» происходит от двух английских слов — «transfer» (переносить) и «resistor» (сопротивление). Что можно буквально перевести, как «переходное сопротивление». Однако, лучше всего для описания работы этого прибора, подойдет название «переменное сопротивление». Поскольку в электронной цепи, транзистор ведет себя именно как переменное сопротивление. Только если у таких переменных резисторов, как потенциометр и обычный выключатель, нужно менять сопротивление с помощью механического воздействия, то у транзистора его меняют посредством напряжения, которое подается на один из электродов В зависимости от типа носителей зарядов и вида управляющего сигнала различают полевые (униполярные) транзисторы, ток в которых создаётся одним типом зарядов (только электронами или только дырками) и изменяется под действием электрического поля, и биполярные, ток в которых создаётся одновременным перемещением и электронов, и дырок, и зависит от управляющего тока. Устройство и обозначение транзисторов разделяют на две большие группы. Первая – это биполярные транзисторы (БТ) (международный термин – BJT, Bipolar Junction Transistor). Вторая группа – это униполярные транзисторы, еще их называют полевыми (ПТ) (международный термин – FET, Field Effect Transistor). Полевые, в свою очередь, делятся на транзисторы с PN-переходом (JFET — Junction FET) и с изолированным затвором (MOSFET- Metal-Oxide-Semiconductor FET) Классификация основных видов транзисторов и обозначение их на схемахПрименение биполярных транзисторовТранзистор – электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Если быть точнее, то транзистор позволяет регулировать силу электрического тока подобно тому, как водяной кран регулирует поток воды. Отсюда следуют две основные функции прибора в электрической цепи — это усилитель и переключатель. Существует бесконечное множество разных типов транзисторов – от огромных усилителей высокой мощности размером с кулак, до миниатюрных переключателей на кристалле процессора размером в считанные десятки нанометров (в одном метре 109 нанометров). Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя слоями с чередующейся проводимостью, ток в области базы которого создаётся не основными носителями зарядов. Переходы делят структуру транзистора на три области Схематично биполярный транзистор можно представить в виде пластины полупроводника с чередующимися областями разной электропроводности, которые образуют два p-n перехода. Причем обе крайние области обладают электропроводностью одного типа, а средняя область электропроводностью другого типа, и где каждая из областей имеет свой контактный вывод. Область, через которую ток втекает в транзистор, называется эмиттер (Э), от латинского слова emissio – выпуск. Эмиттер выпускает заряды в среднюю область, которая называется база (Б). Прошедшие через базу заряды попадают (собираются) в третью область, которая называется коллектор (К), от латинского слова collectio – собирание. Из области коллектора ток из транзистора выходит во внешние цепи Управление величиной протекающего в выходной цепи (в цепи коллектора или эмиттера) биполярного транзистора тока осуществляется с помощью тока в цепи управляющего электрода – базы. Базой называется средний слой в структуре транзистора. Крайние слои называются эмиттер (испускать, извергать) и коллектор (собирать). Концентрация примесей (а, следовательно, и основных носителей зарядов) в эмиттере существенно больше, чем в базе и больше, чем в коллекторе. Поэтому эмиттерная область самая низкоомная. Процесс усиления биполярного транзистораЧтобы биполярный транзистор с n-p-n переходом (обратной проводимости) начал усиливать, на него нужно подать, кроме питания на эмиттер и коллектор, еще и небольшое напряжение смещения на базу. Это смещение открывает транзистор и через него, в направлении от эмиттера к коллектору, начнет протекать управляемый ток. Между базой и эмиттером тоже течет управляющий ток, но по величине он намного меньше, чем коллекторно - эмиттерный. Можно сделать вывод, что основное свойство биполярного транзистора - это управление малым базовым током большим коллекторным током. Для наглядности на рисунке приведен водно- механический аналог биполярного транзистора с n-p-n проводимостью. На нем видно, что небольшая струя из базовой трубы управляет большой струей воды из коллекторной и эмиттерных труб. При этом струя из змиттерной трубы будет состоять из сумм потоков базовой и коллекторных труб. Технология изготовления биполярных транзисторовДиффузия – самопроизвольное выравнивание концентраций под влиянием теплового движения, приводящая к выравниванию химических потенциалов во всем объеме системы. Процесс диффузии всегда необратим. Диффузия выражается в переносе вещества из мест в большей концентрацией к месту с меньшей концентрацией и идет до полного их выравнивания и заканчивается равномерным распределением молекул или частиц по всему объему системы. Движущей силой диффузии является градиент концентраций, т.е. изменение концентрации на единицу расстояния. Скорость диффузии тем больше, чем меньше размеры диффундирующих частиц. Эпитаксия – процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Монокристаллические подложки в процессе эпитаксиального наращивания выполняют ориентирующую роль заставки, на которой происходит кристаллизация. Основная особенность – слои и локальные области противоположного типа проводимости или с отличной от полупроводниковой пластины концентрацией примеси представляют собой новые образования над исходной поверхностью. В процессе роста эпитаксиальные слои легируют, т.е. в них вводят донорные или акцепторные примеси. Особенностью также является то, что появляется возможность получения высокоомных слоев полупроводника на низкоомных пластинах. При жидкофазовой эпитаксии атомы растущего слоя оседают на подложку из расплава или раствора, из которого необходимо вырастить соответствыущий слой. Второй вид эпитаксии – из парогазовой фазы – который и будет использоваться в данной технологии, основан на взаимодействии газа с пластиной. Здесь важными параметрами процесса является температуры газового потока и пластины. Можно использовать тетрахлорид кремния SiCl4 либо силан SiH4. Хлоридный метод основан на использовании химического взаимодействия паров тетрахлорида кремния с чистым водородом при Т =1200оС: SiCl4(газ) + 2H2(газ) = Si(тв) + 4HCl(газ) Сплавной методТехнология изготовления транзисторов ни чем не отличается от технологии изготовления диодов. Еще в начальный период развития транзисторной техники биполярные транзисторы делали только из германия методом вплавления примесей, и такие транзисторы называют сплавными. Берется кристалл германия и в него вплавляются кусочки индия. Атомы индия диффузируют (проникают) в тело кристалла германия, образуя в нем две области p-типа – коллектор и эмиттер. Между этими областями остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника n-типа, которую именуют базой. А чтобы защитить кристалл от влияния света и механического воздействия его помещают в металлостеклянный, металлокерамический или пластмассовый корпус. На картинке ниже показано схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора, собранного на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу диска – ее наружный проволочный вывод Сплавной методВнутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проводникам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Металлический колпак защищает прибор от влияния света и механических повреждений. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные германиевые транзисторы из серии МП37 — МП42. Планарный методС появлением новых технологий научились обрабатывать кристаллы кремния, и уже на его основе были созданы кремниевые транзисторы, получившие наиболее широкое применение в радиотехнике и на сегодняшний день практически полностью вытеснившие германиевые приборы. Кремниевые транзисторы могут работать при более высоких температурах (до 125ºС), имеют меньшие обратные токи коллектора и эмиттера, а также более высокие пробивные напряжения. Основным методом изготовления современных транзисторов является планарная технология, а транзисторы, выполненные по этой технологии, называют планарными. У таких транзисторов p-n переходы эмиттер-база и коллектор-база находятся в одной плоскости. Суть метода заключается в диффузии (вплавлении) в пластину исходного кремния примеси, которая может находиться в газообразной, жидкой или твердой фазе. Как правило, коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного кремния, на поверхность которой вплавляют близко друг от друга два шарика примесных элементов. В процессе нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластину кремния. При этом один шарик образует в пластине тонкую базовую область, а другой эмиттерную. В результате в пластине исходного кремния образуются два p-n перехода, образующие транзистор структуры p-n-p. По такой технологии изготавливают наиболее распространенные кремниевые транзисторы. Также для изготовления транзисторных структур широко используются комбинированные методы: сплавление и диффузия или сочетание различных вариантов диффузии (двусторонняя, двойная односторонняя). Возможный пример такого транзистора: базовая область может быть диффузионная, а коллектор и эмиттер – сплавные. Использование той или иной технологии при создании полупроводниковых приборов диктуется различными соображениями, связанными с техническими и экономическими показателями, а также их надежностью. Планарно-эпитаксиальный методОсобенностью планарно-эпитаксиальной технологии является то, что коллекторные области структур создают эпитаксиальным наращиванием слоя полупроводникового материала, главным образом кремния n-типа, на подложке р-типа, а базовые и эмиттерные — введением легирующих примесных атомов в эпитаксиальный слой. При этом эмиттерные области формируют введением примесных атомов максимально возможной концентрации. Это обеспечивает создание транзисторных структур, обладающих высоким коэффициентом усиления по току. Формируют элементы и соединения между ними только на одной стороне подложки (рабочей поверхности). Процесс осаждения молекул вещества на монокристаллическую пластину (подложку) с образованием пленки, повторяющей ее структуру, называют эпитаксией. Процесс эпитаксии может быть прямым и непрямым. При прямом процессе полупроводниковый материал распыляют и его атомы осаждаются на подложке. В непрямом процессе распыляют химические соединения полупроводникового материала, молекулы которого диссоциируют, и ионы полупроводника оседают на подложке, повторяя ее кристаллическую структуру. В практике распространены два метода сознания кремниевого эпитаксиального слоя: восстановление кремния из его тетрахлорида водородом и термическое разложение соединений кремния (пиролиз). Диффузионно-сплавной методСплавно-диффузионные транзисторы изготавливают сочетанием сплавной технологии с диффузионной. В этом случае наплавляемая навеска содержит как донорные (сурьма), так и акцепторные (индий) примеси. Навески размещают на исходной полупроводниковой пластине и прогревают. При сплавлении образуется эмиттерный переход. Однако при высокой температуре одновременно с процессом плавления происходит диффузия примесей из расплава в глубь кристалла. Примеси доноров и акцепторов распределяются по толщине кристалла при этом неравномерно, так как разные примеси диффундируют на разную глубину (например, диффузия сурьмы идет скорее, чем индия). В кристаллов результате образуется диффузионный базовый слой n-типа с неравномерным распределением примесей (получается «встроенное» в базу электрическое поле). Коллектором служит исходная пластинка германия p-типа. Перенос неосновных носителей через базовую область осуществляется в основном дрейфом во «встроенном» электрическом полем транзисторы, поэтому называют дрейфовыми. Толщина базы транзисторов может быть уменьшена до 0,5-1 мкм. Рабочие частоты достигают 500-1000 МГц. Широкий диапазон частот является основным достоинством этой разновидности транзисторов. К недостаткам относятся низкие обратные напряжения на эмиттере из-за сильного легирования эмиттерной области, а также трудности в разработке транзисторов на высокие напряжения и большие мощности. Мезапланарный методМезапланарные транзисторы изготавливают методом двойной диффузии с последующим вытравливанием определенных участков эмиттера и базы для создания активной части транзисторов в виде меза-структур. При этом уменьшаются площади переходов, снижается барьерная емкость коллектора. Мезапланарные транзисторы получают при изготовлении большой партии приборов. в едином технологическом цикле из одной пластины полупроводника, поэтому они имеют малый разброс параметров. У этих транзисторов малые емкости переходов, небольшое rБ и они могут работать на частотах до нескольких сот мегагерц Диффузионно-планарный методДиффузионно-планарный транзистор, например, кремниевый, может быть изготовлен методом диффузии примесных атомов через окна в пленке двуокиси кремния SiO2. Последовательность технологических операций показана на рисунке 1. При изготовлении планарного транзистора за основу берется пластинка кремния n-типа, которая в результирующей структуре играет роль коллектора. Пластинка помещается вначале в атмосферу паров воды или кислорода, где покрывается плотной пленкой SiO2 (рис. 1, а). Фотолитографией и последующим травлением в пленке образуются окна (рис. 1, б), через которые осуществляется диффузия акцептора-бора (рис. 1, в). В пластинке при этом образуется слой базы p-типа. Одновременно происходит окисление поверхности. В образовавшейся пленке окиси затем вскрываются окна (рис. 1, г), через которые проводится диффузия донора - фосфора на меньшую глубину. Образуется эмиттерный слой n+-типа (рис. 1, д). Далее слой SiO2 вновь протравливается (рис. 1, е), в отверстия напыляются контакты (А1) и методом термокомпрессии подсоединяются выводы (рис. 1, ж) КлассификацияВ зависимости от типа проводимости областей различают биполярные транзисторы структуры p-n-p и n-p-n : а – структуры p-n-p; б – структуры n-p-n В зависимости от мощности, рассеиваемой на коллекторе, различают транзисторы малой мощности (м.м., Рк.max< 0,3 Вт); средней мощности (с.м., 0,3 Вт < Рк.max< 1,5 Вт); большой мощности (б.м., Рк.max> 1,5 Вт). В зависимости от частоты усиливаемого сигнала различают: - низкочастотные (НЧ,fгр< 3 МГц); - среднечастотные (СЧ, 3 МГц < fгр< 30 МГц); - высокочастотные (ВЧ, 30 МГц < fгр< 300 МГц); - сверхвысокочастотные (СВЧ,fгр> 300 МГц). Основные параметры биполярных транзисторов:
Система обозначений транзисторов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919 – 81 и его последующими редакциями, и представляет собой семизначный буквенно-цифровой код.
Первый элемент обозначает полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор: 1 или Г – германий; 2 или К – кремний; 3 или А – арсенид галлия. Второй элемент – подкласс. Т – биполярный транзистор; П – полевой. Третий элемент – цифра от 1 до 9 – мощность и частота: Четвёртый и пятый элемент – порядковый номер разработки от 01 до 99. В настоящее время номер может быть и трёхзначным (более 100). Шестой элемент – буква – отличие по допустимому максимальному напряжению на коллекторе транзистора Uкэ.макс. Седьмой элемент – отличие по конструктивному исполнению М – отличие по материалу корпуса (металлический или пластмассовый) С – сборка (несколько транзисторов в одном корпусе и на одном кристалле для достижения максимального подобия по электрическим характеристикам и их изменению в зависимости от температуры) На сегодняшний день маркировка транзисторов, согласно которой их различают и выпускают на производствах, состоит из четырех элементов. Например: ГТ109А, ГТ328, 1Т310В, КТ203Б, КТ817А, 2Т903В. Первый элемент — буква Г, К, А или цифра 1, 2, 3 – характеризует полупроводниковый материал и температурные условия работы транзистора. 1. Буква Г или цифра 1 присваивается германиевым транзисторам; 2. Буква К или цифра 2 присваивается кремниевым транзисторам; 3. Буква А или цифра 3 присваивается транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах: германий – выше 60ºС, а кремний – выше 85ºС. Второй элемент – буква Т от начального слова «транзистор». Третий элемент – трехзначное число от 101 до 999 – указывает порядковый заводской номер разработки и назначение транзистора. Эти параметры даны в справочнике по транзисторам. Четвертый элемент – буква от А до К – указывает разновидность транзисторов данной серии. Принцип действия биполярных транзисторовВ активном режиме (когда транзистор работает как усилительный элемент) к транзистору подключают два источника питания таким образом, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Под действием электрического поля источника ЕБЭ через эмиттерный переход течет достаточно большой прямой ток IЭ, который обеспечивается, главным образом, инжекцией электронов из эмиттера в базу Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей. Поток электронов, обеспечивающий ток IЭ через переход эмиттер – база показан на рисунке широкой стрелкой. Часть инжектированных в область базы электронов (1 … 5%) рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда – дырками, образуя во внешней цепи базы ток IБ. Вследствие большой разности концентраций основных носителей зарядов в эмиттере и базе, нескомпенсированные инжектированные в базу электроны движутся в глубь ее по направлению к коллектору. Физические процессы в биполярном транзистореВблизи коллекторного р-п-перехода электроны попадают под действие ускоряющего электрического поля этого обратносмещенного перехода. А поскольку в базе они являются неосновными носителями, то происходит втягивание (экстракция) электронов в область коллектора. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора. Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n-перехода несколько больше тока коллекторного p-n-перехода. Контрольные вопросы:
|