Малютки ПТ - Маркова В.Н., Гоженко Н.А.

Author: Маркова В.Н. Гоженко Н.А.

Tags: электроника радиотехника электротехника электричество транзисторы

Year: 1967

Similar

Приемник трехпрограммный "Трио ПТ-207"

Руководство по материальной части и эксплуатации танков ПТ-76 и ПТ-76Б

Трехпрограммный приемник проводного вещания «Электроника ПТ-203». Инструкция по эксплуатации

Приемник трехпрогаммый "Электроника ПТ-301". Руководство по эксплуатации

Text

НАУЧНО-
ПОПУЛЯРНАЯ
ЛИТЕРАТУРА
В. Н. МАРКОВА, Н. А, ГОЖЕНКО
МАЛЮТКИ
ПТ
.Н4УК01М
’ ДУЛ1К4'
КИЕВ —1967
6П2.15
M2G
Полупроводниковый триод (транзистор) — не-
избежный элемент современной радиоэлектронной
аппаратуры. В основу многих схем счетно-решаю-
щих устройств и кибернетических машин положе-
ны полупроводниковые приборы. Но этим не ог-
раничивается область применения транзисторов,
они нашли широкое распространение во всех от-
раслях техники.
В брошюре рассказывается о принципе дей-
ствия полупроводниковых триодов, их конструк-
тивных типах и технологических особенностях.
Рассчитанная па специалистов, работающих в
области полупроводникового приборостроения,
брошюра будет полезной также читателям, инте-
ресующимся современным состоянием полупровод-
никовой техники.
КИЕВСКАЯ КНИЖНАЯ ТИПОГРАФИЯ № 5
3-4—5
294-67М
ПРЕДИСЛОВИЕ
В наши дни трудно встретить человека, который не
слышал бы слова транзистор.
Термин «транзистор» вначале употребляли для оп-
ределения полупроводникового триода (ПТ), у которого
усиление внешнего сигнала происходит в результате
эмиттирования (инжекции) носителей заряда.
Сейчас транзисторами называют все полупроводни-
ковые многополюсники, усиливающие внешний сигнал, а
также канальные триоды, в работе которых инжекция
не играет основной роли. Название четырехслойного
переключателя «управляемый выпрямитель» как бы ис-
ключает его из класса полупроводниковых усилителей,
тем не менее, работает такой прибор благодаря инжек-
ции и усилению. Эквивалентом любого переключателя
может быть соединение двух обыкновенных триодов —
транзисторов. Только об одном радиоэлектронном полу-
проводниковом приборе — двухполюсном диоде с од- ч
ним переходом — можно сказать, что он не транзистор.
Благодаря тому, что полупроводниковые приборы
(диоды, триоды, фотосопротивления) имеют небольшие
габариты, потребляют ничтожно малое количество
энергии, не боятся перегрузок и вибраций, их применяют
во многих отраслях техники.
Работа бортовой аппаратуры самолетов и косми-
ческих кораблей, счетно-решающих и кибернетических
устройств немыслима сейчас без транзисторов. Тран-
зисторные передатчики взяты на вооружение разведками
многих стран. Ведь рацию, которая может поместиться
не только в спичечной коробке,шо и в перстне, не так-то
легко обнаружить. Такие компактные передатчики ис-
пользуются и учеными для изучения миграции живот-
ных. Прикрепленный к поясу или карману транзистор-
3
ный приемник верно служит и страдающему глухотой
старику, и спортсмену, который во время занятий мо-
жет получать указания тренера.
Кристалл полупроводникового триода без выводов
и упаковки мал — его площадь составляет примерно
1 мм2. Выводы, ножка и крышка корпуса в десятки, а
иногда и в сотни раз больше самого кристалла. В за-
висимости от характера работы корпус транзистора мо-
жет иметь различные размеры и форму. Маленькие ко-
аксиальные баллончики предназначаются для высоко-
частотных триодов, крупные корпуса в виде шляпок с
радиатором служат для рассеяния мощности в несколь-
ко ватт. Однако транзисторы в любом виде во много
раз меньше ламп аналогичного назначения.
В микромодульных схемах и твердых схемах, изго-
товленных в объеме кристалла, размеры малюток ПТ
сведены до размеров рабочих переходов. Это позволя-
ет создавать приемники величиной с почтовую марку и
даже с горошину.
Первый полупроводниковый триод появился на свет
только в 1948 г., но у него была длинная предыстория.
Полупроводники как вещества с электропроводнос-
тью меньшей, чем у металлов, и большей, чем у изоля-
торов, известны давно. Такие свойства полупроводни-
ков, как сильная зависимость сопротивления от темпе-
ратуры и освещенности, влияние на электропроводность
примесей и т. п.» на ранних этапах развития полупро-
водниковой техники обусловили их применение в каче-
стве выпрямителей, фотосопротивлений фотоэлементов
и др.
Генерирование и усиление электромагнитных коле-
баний с помощью полупроводникового кристалла впер-
вые в мире было осуществлено в 1922 г. советским уче-
ным, сотрудником Нижегородской радиолаборатории
О. В. Лосевым.
4
Однако до конца 40-х годов нашего столетия полу-
проводники не играли ведущей роли в электронике и
радиотехнике, хотя теоретическая разработка вопро-
сов физики полупроводников и экспериментальное ис-
следование их свойств в это время велись довольно
интенсивно. Советские ученые одни из первых начали
систематическое изучение физики полупроводников.
Работы А. Ф. Иоффе, В. Е. Лашкарева, Б. Т. Коломий-
ца, В. П. Жузе, И. В. и Б. В. Курчатовых, С. И. Пе-
нара, Б. И. Давыдова, В. И. Ляшенко, М. С. Сомин-
ского, С. М. Рывкина и других исследователей сыграли
важную роль в развитии науки о полупроводниках.
Бурное развитие полупроводниковой электроники
началось тогда, когда в качестве материала для по-
лупроводниковых приборов (сначала диодов, а затем,
с 1948 г., и триодов) стали применять кремний и гер-
маний.
Первым промышленным триодом был точечный
триод. Просуществовав более десяти лег, этот триод
постепенно стал сдавать свои позиции более совершен-
ным приборам. Во многих странах, в том числе в СССР,
точечный ПТ снимается с производства. В связи с этим
в брошюре рассматриваются конструкции только плос-
костных триодов. Транзисторы этой конструкции раз-
нообразны как по технологии изготовления, так и по
принципу действия.
Стремясь изложить материал в сжатой форме, по
возможности доступной читателю, знакомому в общих
чертах с разделами электричества, радиотехники, а
также с основами физики твердого тела, авторы опус-
тили такие фундаментальные разделы, как физика про-
боя, теоретическое описание распределения зарядов в
базе и переходе, виды емкостей и др.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРОВ
Структура и принцип действия
плоскостного триода
Полупроводниковый плоскостной триод
представляет собой монокристалл, в котором
созданы один или два параллельно располо-
женные перехода между слоями с различным
типом проводимости. Обычный р-п-р плоскост-
ной триод (рис. 1) имеет два слоя с дырочной
проводимостью (p-типа), между которыми
находится слой с электронной проводимостью
(n-типа). В п-р-п триоде слои соответственно
меняются местами.
При температуре выше абсолютного нуля
в полупроводнике всегда имеются носители
заряда, появление которых обусловлено, в ос-
новном, тепловой генерацией. В материале
p-типа за счет тепловой энергии валентные
электроны основных атомов перебрасываются
к атомам примесных элементов — акцепторов,
образуя отрицательные ионы. Это энергетиче-
ски описывается как переход из валентной
зоны на локальный уровень. В валентной зо-
не остаются вакансии, дырки, которые могут
перемешаться по кристаллу и участвовать в
переносе тока.
В материале л-типа. электроны переходят
с локального уровня (энергетическое состоя-
ние валентного электрона в атоме примесного
элемента) в зону проводимости. Энергия, не-
7
обходимая для этого перехода, очень мала
(около 0,005 эв для германия и 0,02—0,03 эв
для кремния). Поэтому даже при комнатной
температуре энергии электронов вполне до-
статочно для ионизации примеси. При таких
Рис. 1. Схема плоскостного р-п-р триода с общей
базой:
I — область кристалла р-типа; 2 — основной кристалл
п-типа; 5 — рп переход; 4 и 5 — основные носители
(дырки и электроны); 6 — неосновные носители (дырки).
условиях концентрация дырок рр или элек-
тронов пп равна соответственно концентрации
примесей акцепторов NA или доноров Nd-
Кроме основных носителей, в кристалле
присутствует небольшое количество неоснов-
ных — дырок рп (в n-типе) и электронов пр
(в p-типе), которые появляются в результате
перехода электронов непосредственно из ва-
лентной зоны в зону проводимости. Так как
этот процесс требует большей затраты энергии
(около 0,6 эв для кремния и 0,37 эв для гер-
8
мания), то при невысоких температурах (ниже
120° С для кремния и 70° С для германия)
обычно rip'CPp и рп^пп. Созданные таким
образом носители, называемые равновесными,
находясь в электродинамическом равновесии
с неподвижными зарядами, сохраняют ней-
тральность кристалла.
На границе п- и p-слоев, в переходе, при-
месей может быть очень мало (резкий пере-
ход). Носители заряда могут появиться при
переходе электронов из валентной зоны в зону
проводимости (собственная проводимость).
При комнатной температуре это маловероятно.
Но примеси могут быть и скомпенсированы
(AfA = WD). Тогда на каждую дырку придется
один электрон, который в результате сложных
переходов с локального уровня в зону прово-
димости и обратно попадет в валентную зо-
ну — рекомбинирует с дыркой (плавный пере-
ход). В плавном переходе по обе стороны гра-
ницы, где Na —Nd, происходит постепенное
нарастание разностной концентрации Nd—Na
(n-слой) и Na—Nd (p-слой).
В области перехода имеется только объем-
ный заряд доноров и акцепторов, носители
заряда почти отсутствуют, поэтому сопротив-
ление перехода очень велико, примерно не-
сколько миллионов ом. На границе слоев с
различным типом проводимости возникает кон-
тактная' разность потенциалов и образуется
потенциальный барьер в несколько десятых
вольта. Если к переходу приложить напряже-
ние и барьер увеличится, такое состояние пе-
рехода будет называться запертым, если по-
тенциальный барьер уменьшится — открытым.
9
Напряжение, приложенное в запирающем,
обратном, направлении, отталкивает носителей
заряда от перехода, повышая его сопротивле-
ние (знак «+» на полупроводнике п-типа,
«—» па полупроводнике p-типа). При прямом
включении носители поступают в переход,
уменьшая его сопротивление (знак «-(-» на
полупроводнике р-типа, «—» на полупровод-
нике п-типа).
Область, инжектирующая носители (на
рис. 1 она находится слева), называется эмит-
тером (Э), а переход — эмиттерным (вклю-
чение прямое). Область, собирающая носители
(на рис. 1 —справа), называется коллектором
(К), а переход — коллекторным (включение
обратное). Область, в которой взаимодейст-
вуют оба перехода, называется базой (Б) (на
рис. 1 она посредине). Так как сопротивление
переходов значительно больше сопротивления
базы, эмиттера и коллектора, в теоретической
модели транзистора принимается, что все при-
ложенное к триоду напряжение падает на пе-
реходах, а в базе и остальных областях поле,
вызванное внешним напряжением, отсутствует.
Основную роль в работе транзистора игра-
ют прохождение носителей заряда через эмит-
терный переход, их поведение в базовой об-
ласти и влияние на ток коллектора.
Если на каком-либо отдельно взятом пе-
реходе внешнее, напряжение отсутствует, че-
рез него течет ток, вызванный различием
концентраций носителей для п- и p-слоев (ток
диффузии ID). Уравновешивает его ток про-
водимости Is. Контактная разность потенциа-
лов препятствует прохождению дырок в п-слой
ю
и электронов в p-слой, поэтому ток проводи-
мости состоит из неосновных носителей, а ток
диффузии — из основных, тепловой энергии
которых достаточно для преодоления потен-
циального барьера перехода.
Токи проводимости и диффузии противопо-
ложны по направлению и, как следует из усло-
вия нейтральности, Зависимость этих
токов от напряжения на переходе различна.
Небольшого смещения (десятых долей воль-
та) достаточно для того, чтобы образовавшее-
ся поле втянуло все электроны и дырки непо-
средственно у перехода. В дальнейшем при
увеличении поля в переходе линейно возра-
стает скорость переброса носителей через пе-
реход. Но само количество носителей, прохо-
дящих через переход за секунду, возрасти не
может, так как концентрация носителей и
тепловая скорость — скорость диффузии Dp
или Dn, с которой они поступают к переходу, •
для постоянной температуры постоянны (табл.
1). В германии ток проводимости достигает
насыщения и остается неизменным вплоть до
пробивного напряжения на переходе.
Ток проводимости
(1)
где q — заряд электрона.
Время «жизни» дырок хР (или электронов
Тп) определяется количеством носителей про-
тивоположного знака и рекомбинационных
центров (нарушений в кристаллической решет-
ке— дислокаций и примесей).
1]
Зависимость тока диффузии от напряже
ния носит экспоненциальный характер:
Id — lstkT •
Полный ток 1 через переход составит
(2)
Таблица 1
Основные параметры германия и кремния
(Т=300°К)
Параметр Германий Кремний
элек- трон- ный дыроч- ный элек- трон- ный дыроч- ный .
Ширина запрещенной зоны Л£, эв 0,67 0,67 1,06 • 1,06
Удельное сопротивление соб- ственного полупроводника Qp ом • см 47* 230 —
Подвижность носителей |Л, см2 в-сек Коэффициент диффузии не- основных носителей Dp 3800 1820 1300 500
см2
(нли Dn), сек 44 ! 92 12 35
* На практике для германия Q-“20—40 ом • см, а для крем-
ния < 1000 ом • см.
При обратном смещении на переходе ток
диффузии резко убывает. Таким образом, об-
ратный ток — это ток проводимости, т. е. ток
насыщения, а прямой ток в основном опреде-
ляется током диффузии (инжекции).
12
Однако на практике обратный ток коллек-
тора /ко может быть намного больше расчет-
ного тока Is (1) за счет тока утечки по по-
верхности кристалла /у или тока генерации
Ig, обусловленного генерацией носителей в
области перехода, В полученных на кремнии
переходах Ig играет существенную роль. Из-за
генерации в переходе рост тока с напряжением
до пробоя у кремниевых приборов более заме-
тен, чем у германиевых.
Утечка тока вызывается в основном несо-
вершенством поверхности: наличием инверси-
онных слоев (слоев с противоположным по
отношению к объему кристалла типом прово-
димости), дислокаций и обычных загрязнений.
В триоде переходы расположены настоль-
ко близко, что поле одного перехода может
притянуть носители от границы другого поля.
Это тоже вносит изменение в обратный ток
запертого — коллекторного перехода даже
если иэ=0.
Принцип распределения токов во всех при-
нятых схемах включения ПТ одинаков и мо-
жет быть рассмотрен на примере схемы с
общей базой (рис. 1). Эмиттерная и коллек-
торная цепи имеют общий участок — базовый
вывод. Направление токов /э и /к таково, что
в базе течет ток /б=/э—/к.
Сопротивление закрытого перехода при-
мерно в 1000—10 000 раз больше сопротивле-
ния объема базы между коллекторным пере-
ходом и базовым выводо'м. Поэтому все об-
ратное напряжение фактически падает на
переходе. Падение напряжения на переходе
и в объеме базы можно сравнивать тогда, ко-
13
гда через триод протекает значительный ток,
снижающий сопротивление перехода, или ког-
да сопротивление базы велико (сотни ом).
Обычно в базе электрическое поле, выз-
ванное внешним источником, отсутствует.
Если переход резкий, то база однородна по
сопротивлению и внутренние электрические
поля в ней также отсутствуют. На этом про-
странстве базы, играющем главную роль в
электрической связи входа и выхода, носите-
ли тока могут перемещаться только под дей-
ствием сил диффузии. Поэтому транзисторы
с однородной базой носят название диффу-
зионных *.
Дырки, поступившие через эмиттерный пе-
реход в базу, создают в пей положительный не-
равновесный заряд. При компенсации заряда
электроны из базового вывода поступают в ба-
зу, где частично рекомбинируют с дырками. Ес-
ли время жизни дырок в базе тр не очень мало,
а ширина базы w невелика (w<^Lp, где
Lp — у DpXp — диффузионная длина смеще-
ния дырок), то большая часть дырок дости-
гает коллектора, увлекая за собой электроны.
Так как дырки — неосновные носители в базе,
то все они, проходя через переход в коллек-
торную область, вливаются в ток проводи-
мости— обратный ток коллектора /к. Элек-
троны же через объемное сопротивление базы
уходят на базовый вывод. На этом участке
1 В литературе ПТ часто определяют не но физиче-
скому принципу действия, а по технологическому приз-
наку, называя диффузионными триоды, полученные диф-
фузионной технологией. Такие триоды по принципу дей-
ствия — дрейфовые.
14
течет ток проводимости коллекторной цепи.
Количество электронов, поступивших в базу
из внешней цепи, всегда соответствует раз-
ности токов, образованных встречными «кол-
лекторными» электронами и электронами,
компенсирующими заряд инжектированных
дырок.
тсристики плоскостного триода в
схеме с общей базой (германиевый
сплавной триод П16):
/ —/э~10 ма; 2— /э = 20 на-, 3 — 1* —
«=30 ла; 4 — /э=40 ла; 5 —/о«50 ма.
Втянутые коллектором дырки усиливают
обратный ток коллектора на величину
Д/к — Ct Д/э,
где Д/э — приращение тока эмиттера (в дан-
ном случае от нуля) при t7K==const;
а — коэффициент передачи тока эмитте-
ра, коэффициент усиления по току.
Ток эмиттера распределяется между кол-
лекторным и базовым выводами; на базовый
вывод уходит часть эмиттерного тока Д/о
(1—а).
15
Следовательно, изменение тока в выходной
нспи транзистора вызывается эмиттерным то-
ком (рис. 2). При Uu=0 и /эт^О ток коллек-
тора не равен нулю, так как подошедшие к
переходу дырки втянутся полем перехода, соз-
Рис. 3. Схемы включения триода.
/д 4Л
а —с общим эмиттером: /вх“/6. (yr J^3=const;
б —с общим коллектором. RBX — большое, /в1 = [б,
/Д М
вк“ (rr6r»“const-
данным только контактной разностью потен-
циалов областей базы и коллектора.
Соотношение токов /3=/б+/к при любом
включении триода неизменно. Однако ток вхо-
да, ток выхода и усиление, определяемое коэф-
фициентом передачи тока, в схемах с обшей
базой (см. рис. 1), общим эмиттером и общим
коллектором (рис. 3) различны. В схеме с
общим эмиттером на входе фактически вклю-
чены те же сопротивления, что и в схеме с
16
общей базой: сопротивление базы Гб и сопро-
тивление эмиттерного перехода гэ. Но в этом
случае через источник сигнала на входе про-
ходит не весь ток эмиттера, а только часть
его — базовый ток, что позволяет применить
источник с более высоким внутренним сопро-
тивлением. В схемах с общим эмиттером и об-
щим коллектором усиление по току определя-
ется коэффициентами передачи тока базы
п а п 1 п
В — -----и коллектора Вк — ----. Практи-
1—а 1—а
чески значения этих коэффициентов бывают
порядка нескольких десятков, хотя в некото-
рых случаях они достигают 100—200.
Коэффициент передачи тока
Коэффициент а определяет собой ту часть
эмиттерного тока, которая поступает в кол-
лектор. В p-rt'p триоде существенную роль
играет только дырочная составляющая эмит-
терного тока /Эр, так как электронная /эп не
участвует в усилении.
Величина дырочного тока коллектора зави-
сит от того, насколько /Эр больше /эп. Дыроч-
ная составляющая — ток диффузии дырок че-
рез р-п переход в базовую область — опреде-
ляется концентрацией дырок по обе стороны
перехода, т. е. соотношением проводимостей
эмиттерной и базовой областей, а также ши-
риной базы и диффузионной длиной смещения
электронов Ln. Отношение = у назы-
Л'э?»
17
вается эффективностью эмиттера:
где рс — удельное сопротивление базы.
Поток дырок, движущихся от эмиттера к
коллектору, уменьшается за счет рекомбина-
ции дырок с электронами. Рекомбинация мо-
жет происходить в объеме базы или на по-
верхности полупроводника. Объемная реком-
бинация тем меньше, чем меньше ширина
базы и чем больше диффузионная длина ды-
рок. Скорость поверхностной рекомбинации
зависит от чистоты поверхности, а также от
размеров и формы ПТ. У большинства трио-
дов площадь коллектора больше, чем у эмит-
тера. Это обеспечивает более полный захват
дырок коллекторным переходом и уменьшает
поверхностную рекомбинацию. Для многих
плоскостных триодов а =^0,99—0,995.
Процесс движения и рекомбинации элек-
тронов в базе характеризуется эффектив-
ностью переноса
При расчете коэффициента а учитывается
увеличение количества носителей в коллек-
торной области. Так как ток коллектора со-
стоит не только из дырок, но и из электронов,
то отношение полного тока коллектора Д/к к
его дырочной составляющей Д/Кр — эффектив-
ность коллектора а* больше единицы. Оче-
видно, значение электронной составляющей
18
&1кп будет тем больше, чем выше концентра-
ция электронов в коллекторе. Эффективность
коллектора определяется как
где |хп и цР — подвижность неосновных носи-
телей, соответственно электронов и дырок.
Нужно отметить, что при комнатных тем-
пературах значение второго члена уравнения
бывает значительно меньше единицы1.
Таким образом, коэффициент передачи по
току в схеме с общей базой можно предста-
вить в виде
а=у0а*.
Или, учитывая, что обычно а
а - уР.
Рассмотренные нами закономерности не
объясняют зависимости коэффициента переда-
чи от плотности тока эмиттера. При неболь-
шой величине /э плотность дырок, эмиттируе-
мых в базу, невелика. Постепенно она умень-
шается от эмиттера к коллектору, так что
полем положительных зарядов можно прене-
бречь. При большой плотности тока эмиттера
(несколько ампер на квадратный сантиметр)
концентрация неравновесных носителей в базе
настолько возрастает, что ее можно сравни-
вать с концентрацией равновесных носителей.
1 Количество носителей в коллекторной области мо-
жет возрастать под действием ударной ионизации в ус-
коряющем поле коллекторного перехода.
2*
19
В этом случае полем токов пренебречь нельзя.
Такой режим ^работы транзистора называется
высоким уровнем инжекции. Электрическое
поле повышает скорость носителей и умень-
Рис. 4. Зависимость коэф-
фициента передачи тока В
от тока коллектора (£/« =
= 10 в) для дрейфового кон-
версионного триода (П601Б,
П602А).
шает вероятность
рекомбинации. Эф-
фективность перено-
са р при этом уве-
личивается и, сле-
довательно, увели-
чивается коэффици-
ент передачи тока.
С ростом /э воз-
растает и /к. Сопро-
тивление коллектор-
ного перехода и на-
пряжение на нем
падают, т. е. поле,
втягивающее носи-
тели, становится меньше. Появление большого
количества носителей в базе снижает ее со-
противление и эффективность эмиттера у (3).
Таким образом, рост /э может и способство-
вать и препятствовать усилению. Поэтому за-
висимость a=f (/э) носит сложный характер.
Соотношение коэффициентов Виа таково,
что изменение а на 1% вызывает изменение
В на 100%. Практический интерес представ-
ляет зависимость коэффициента В от /к
(рис. 4). Ток коллектора является выходным;
от него зависит величина снимаемого сигнала.
20
Распределение объемного заряда
Область, занятая объемным зарядом, на-
зывается собственной шириной перехода, или
шириной перехода при нулевом внешнем сме-
щении. Внешнее обратное напряжение увели-
чивает заряд на переходе, расширяя область
объемного заряда в обе стороны.
При одном и том же напряжении ширина
области, занятой объемным зарядом, может
быть различной. В области с высокой концен-
трацией примеси нужное количество ионов
может образоваться на более узком участке,
чем в области с редко размещенными атома-
ми примеси. В диффузионном р-п-р транзисто-
ре (резкий переход) концентрация Na в р-слое
на несколько порядков выше, чем Nd в элек-
тронном базовом слое, поэтому объемный за-
ряд в основном распространяется в базу.
Удельное сопротивление базы также может
изменяться в широких пределах, а именно:
от значения для собственного полупроводника
(у германия q = 47 ом • см, у кремния q=23X
Х104 ом’См), когда Nd практически равняется
нулю, до нескольких десятых долей ома на
сантиметр, если ND имеет высшие значения —
1016 см~3 для германия и 5-1015 для кремния.
В случае плавного перехода коллекторная
область может иметь более высокое удельное
сопротивление, чем базовая. Тогда объемный
заряд больше распространится в коллектор.
Разумеется, количество ионов в базе будет
равно количеству ионов в коллекторе, только
в базе они пространственно более сжаты.
Когда рассматривают ширину перехода
21
как область, состоящую из неподвижного
объемного заряда, или как участок, на кото-
ром падает внешнее напряжение, то имеют в
виду суммарную ширину собственного пере-
хода при нулевом смещении и участки объем-
ного заряда, возникшие в результате внешнего
электрического воздействия. Ширина'перехода
зависит от того, плавно или резко меняется
разность концентраций Nd—NA.
Если приближенно рассматривать переход
как слой диэлектрика, для него характерно
некоторое критическое значение напряжен-
ности Екр, при котором наступает пробой. При
одном и том же напряжении в узком переходе
напряженность выше, чем в широком, и бли-
же к Екр.
У большинства триодов пробивное напря-
жение коллектора 1/проб=10—20 в, хотя у не-
которых ПТ С,Проб=60—100 в.
Согласно экспериментальным данным, бы-
ли выведены такие формулы для резкого пе-
рехода: в электронном германии (7Проб ~
83,4 р0'61, в электронном кремнии {Упроб =
= 86 р0-64. Формулы описывают зависимость
напряжения лавинного пробоя от р, если р>
>0,5 ом-см. Для обычного рабочего напряже-
ния коллектора (около 10 в) вовсе не обяза-
тельно высокое рб (в германиевых транзисторах
рб—1—0,3 ом-см). Высокое удельное сопро-
тивление в узкой базе может привести к пре-
ждевременному пробою — проколу за счет
перекрытия объемным зарядом всей базовой
области от коллектора до эмиттера. Для хо-
рошего усиления желательно иметь узкую
базу, избегая перекрытия ее объемным заря-
22
дом при рабочем напряжении коллектора. Это
противоречие легко разрешается только при
создании плавного перехода, когда рк>ре
(дрейфовый транзистор).
Распространение заряда в базе играет роль
обратной связи между эмиттером и коллек-
тором, входом и вы-
ходом. В единичном
переходе все дырки,
инжектированные в
л-слой, должны там
рекомбинировать.
От перехода в глубь
кристалла устано-
вится постепенный
спад концентрации
дырок — градиент
dp .
, который коли-
чественно определя-
ет диффузию дырок
через переход.
Когда в кристал-
ле имеется второй,
обратно смещенный переход (коллектор), то
дырки, диффундируя по кристаллу, достигают
перехода и вливаются в ток проводимости.
Таким образом, появляется второй механизм
удаления дырок из базы. Градиент дырок у
первого перехода (эмиттера) повышается,
диффузия возрастает. Чем ближе второй пере-
ход к первому, т. е. чем больше объемный за-
ряд на коллекторе, тем существеннее влияние
второго перехода на первый.
В схеме с общей базой обратная связь опи-
23
сывается статической характеристикой триода
t73=/:(/K) при различных токах /э. Пока ток
эмиттера невелик, падение напряжения в
объеме базы U0.6 значительно меньше паде-
ния напряжения на переходах и влияние U0.6
на эмиттерную и коллекторную цепи прене-
брежимо мало. В этом режиме, называемом
низким уровнем инжекции, главную роль в
обратной связи играет прохождение дырок на
участке переменной толщины между эмиттер-
ным и коллекторным переходами. Когда /э
велико, напряжение в триоде перераспреде-
ляется. Напряжение на эмиттере падает в
результате уменьшения сопротивления эмит-
терного перехода, а [/о.б растет. При этом
становится заметной обратная связь. Влияние
коллектора на эмиттер можно проследить по
входным характеристикам германиевых трио-
дов серии П416—П416Б (рис. 5).
Зависимость величины 'заряда в переходе
(и ширины перехода) от напряжения подобна
зависимости величины заряда плоского кон-
денсатора от напряжения на его обкладках.
Для резкого перехода зарядная емкость
с _ ее“5п
Сзар “ 4лх£ ’
где Sn — площадь перехода;
Xs — ширина перехода.
Подставив в уравнение (4)
У(^к+ф)ее0
—^—„получим
с -<г
Сзар -дп |/ .
(4)
значение
(4а)
24
Для плавного перехода
. Ж
зар “ V 12(£/к + ф)’
(5)
где (р—контактная разность потенциалов;.
G — градиент концентрации примесей.
Плавный переход шире резкого и меньше
зависит от напряжения, поэтому его следует
иметь там, где важна малая емкость, т. е. в.
высокочастотных приборах.
Основные требования, предъявляемые к . ПТ при
различных режимах работы
В схемах линейных усилителей и генерато-
ров транзисторы должны иметь высокий
коэффициент усиления, линейность характери- -
стики и, в зависимости от назначения схемы,
высокие значения мощности рассеяния Рмакс
и предельной частоты усиления fa. Для трио-
дов, работающих в импульсных схемах, харак-
терны высокие значения РМакс, fa и низкие
значения сопротивления насыщения гнас.
В импульсном режиме триод может нахо-
диться только в двух крайних положениях:
1) в открытом (в схеме с общим эмиттером
коллектор прямо смещен относительно базы),
когда падение напряжения на нем минималь-
но; 2) в закрытом, когда /к имеет минималь-
ное значение.
Падение напряжения на триоде в открытом
состоянии обусловлено внутренним сопротив-
лением, сопротивлением насыщения, которое
определяется сопротивлениями открытых пе-
25
реходов и самого кристалла. Сопротивление
насыщения, определяемое только объемом
триода, можно представить в виде суммы:
Если количество неосновных носителей в базе
превышает равновесие, сопротивление насы-
щения снижается. Величину гвас снижает так-
же термическая генерация (ток нагревает кри-
сталл).
Зависимость параметров ПТ
от температуры. Предельная мощ-
ность рассеяния. Существование р-п
перехода и, стало быть, работа транзистора
возможны до тех пор, пока по обе стороны
перехода находятся слои с определенным ти-
пом проводимости, т. е. пока пп^>рп и рр^>пр.
С повышением температуры вероятность непо-
средственного перехода Электронов из валент-
ной зоны в зону проводимости возрастает. Об-
разуются пары электрон — дырка, увеличи-
вающие концентрацию неосновных носителей.
В конце концов по обе стороны перехода
образуются слои с одинаковым характером
проводимости и переход перестает существо-
вать.
Естественно, что чем выше концентрация
примесей, тем выше температура, при которой
можно сравнивать концентрацию неосновных
и основных носителей. Поэтому для производ-
ства высокотемпературных триодов служат
полупроводники с низким удельным сопротив-
лением. Для примера рассмотрим два полу-
проводника германия p-типа с pt=0,3 и рг=
26
Рис. 6. Зависимость
тока коллектора от
температуры в лога-
рифмическом масшта-
бе.
— 10 ом-см. Концентрация дырок в них при
комнатной температуре будет соответственно
рР1 = Ю16 и рР2 = 3-1014 см~3. Чтобы кон-
центрации основных и неосновных носителей
в этих полупроводниках
были сравнимы по вели-
чине, температура одно-
го полупроводника долж-
на быть 530, а другого —
380° К- Эта температура
рассчитывается по фор-
муле
пр = п*,
где Л/ = Ае2кТ .
При одной и той же
температуре вероятность
генерации пары элек-
трон— дырка обратно
пропорциональна шири-
не запрещенной зоны Д£. У кремния ширина
этой зоны больше, чем у германия; кремние-
вые триоды имеют более высокие рабочие
температуры.
Параметры триода зависят от концентра-
ции носителей и, следовательно, от темпера-
туры. В результате изменения параметров
транзистора работа его ухудшается при тем-
пературах гораздо более низких, чем те, при
которых перестает существовать переход. Для
стабильной работы ПТ весьма существенное
значение имеет зависимость обратного тока
коллектора (рис. 6) от температуры.
Прохождение тока через переход сопрово-
27.
ждается выделением тепла на сопротивлении
перехода. Нагрев полупроводника вызывает
появление добавочных носителей тока, в связи
с чем повышается температура перехода. Если
во внешней цепи нет ограничивающего сопро-
тивления, при возрастании тока может прои-
зойти необратимый пробой, который нарушит
структуру перехода. Сопротивление запертого
перехода весьма велико. В схеме с общим
эмиттером через открытый коллектор прохо-
дит ток, в десятки раз превышающий величину
входного тока базы. Поэтому рассеяние мощ-
ности на коллекторе играет решающую роль
в общем балансе рассеиваемой на триоде мощ-
ности.
Зависимость коэффициента а от ’темпера-
туры довольно сложная. Увеличение скорости
диффузии обусловливает рост коэффициента
а, а снижение эффективности эмиттера за
счет роста проводимости базы снижает зна-
чение а. Если проводимость в базе и эмит-
тере изменяется одинаково, например в выра-
щенной структуре, где значение а
в некоторых пределах зависит только от теп-
ловой скорости диффузии носителей в базе D$.
Влияние температуры на коэффициент В
значительно сильнее, чем на коэффициент а.
Это объясняется характером соотношения ко-
эффициентов В и а.
С максимальной температурой, при кото-
рой может работать, т. е. усиливать сигнал
ПТ, связана и максимальная мощность рас-
сеяния Рмакс. Чем массивней корпус, тем
больше его поверхность и меньше перегрева-
ется ПТ. Однако при повышении температуры
28
среды теплоотдача ухудшается. Если предста-
вить перепад температуры как перепад напря-
жения, а поток мощности как ток (рис. 7), за-
висимость этих величин будет:
Тп - Тк = PRT;,
Тк-Тс = PRr;,
Тп -ТС~Р (RTt + Rr,),
где Rt — тепловое сопротивление, град/вт;
Р — мощность, вт.
В этих уравнениях допустимая температу-
ра перехода (коллектора) связана с допусти-
мой мощностью рассеяния таким соотноше-
нием:
где Т — температура корпуса либо окружаю-
щей среды; RT=RTt, или RT=RT2.
Триоды серии П201 —П203, имеющие кор-
пус с радиатором, работая в качестве усили-
телей мощности звуковой частоты или пре-
образователей тока, рассеивают мощность до
10 вт, а серии П207—П208А — до 100 вт.
Высокочастотные свойства
плоскостных транзисторов. В гене-
рирующих, усилительных и импульсных схе-
мах высокочастотные свойства ПТ опреде-
ляются в основном четырьмя факторами: пре-
дельной частотой усиления по току, усилением
по току и по мощности, предельной мощ-
ностью рассеяния. Эти величины неразрывно
связаны друг с другом и ни одна из них не
может быть выбрана произвольно.
29
Предельной частотой усиления по току fa
называется частота, при которой коэффициент
1
а =------ ап, где ао—низкочастотное значе-
V 2
ние а.
Зависимость усиления по току от частоты
Рис. 7. Эквивалентная
схема распределения те-
пловых потоков в трио-
де:
Р — генератор мощности
(коллекторный переход);
Krt — тепловое сопротивле-
ние переход-корпус; RTt—
тепловое сопротивление кор-
пус-среда; Тп, Гк и Тс -
температура соответственно
перехода, корпуса и среды.
Рис, 8. Схема плоскостного
триода.
f достаточно точно опи
сывается формулой
/1 +W’
Для триода, конструкция которого показана
на рис. 8, предельную частоту fa и усиление
по мощности К можно рассчитать по фор-
мулам

(7)
1
(8)
30
Здесь А — постоянный коэффициент; Sn—пло-
щадь перехода, Sa=hd, где h — высота кри-
сталла; d — протяженность перехода.
Чем выше средняя скорость диффузии ды-
рок при данной температуре и, следовательно,
выше статистическая величина £>б, тем скорее
все дырки, избежавшие рекомбинации, достиг-
нув коллектора, вольются в коллекторный ток,
тем круче передний фронт выходного импуль-
са. Чем меньше скорость дырок, тем дольше
движутся они в базе, тем положе передний
фронт выходного импульса. Время прохожде-
ния неосновных носителей (время пролета
/пр) от эмиттера к коллектору обратно пропор-
ционально ширине базы. Если время пролета
ненамного меньше длительности импульсов и
интервалов между ними, то часть инжектиро-
ванных дырок не будет достигать коллектор-
ного перехода.
В момент, соответствующий окончанию сиг-
нала на входе, основная часть дырок будет в
пути и амплитуда тока на коллекторе не до-
стигнет значения аоДЛ>- Между тем, при U3—Q
прекратится движение носителей к коллекто-
ру. Значительная часть носителей будет ре-
комбинировать, а коллекторный* ток начнет
уменьшаться; при этом будет формироваться
задний фронт выходного импульса. Таким об-
разом, передний и задний фронты перекроют-
ся, импульс по амплитуде уменьшится, в свя-
зи с чем ухудшатся усилительные свойства
ПТ. Уменьшение импульса по амплитуде с ро-
стом f вызывает на высоких частотах резкое
снижение коэффициента а.
31
Модуль а в уравнении (6) показывает, что
описанная зависимость относится только к аб-
солютной величине коэффициента передачи.
Отставание тока коллектора от тока эмиттера
за счет конечного времени пролета означает
сдвиг токов по фазе. Очевидно, среднее стати-
стическое время пролета определяет предель-
ную частоту fa. Формула (7) выведена с уче-
том только эффективности переноса носите-
щ,'2
2D,, =
лей; величина
Поиски путей повышения предельной ча-
стоты усиления привели к созданию дрейфово-
го триода. В дрейфовом ПТ постепенное изме-
нение концентрации примеси от эмиттера к
коллектору, т. е. перепад концентраций носи-
телей, приводит к возникновению в базе сла-
бого электрического поля Еэк. Неосновные но-
сители не только не диффундируют, но и дрей-
фуют в поле базы. Средняя скорость дрейфа
определяется выражением Одр=црЕ'эк, а ско-
. , n 1 dp
рость диффузии Цдиф — Dp-------— (для одно-
р Cl \
мерного случая). Сравнение этих скоростей
показывает, что равенство Одр = Пдиф наступа-
ет тогда, когда Еэк=100 в/см. Теоретически
значение U3li=EdKw в германии может дости-
гать 0,36, а в кремнии 0,66 в. Если w =; 1 мкм
(обычно для дрейфовых ПТ), то для германия
максимальное значение ЕЭк=3600 в/см, а для
кремния £эк=6600 в)см. Такие большие поля
были бы ненамного меньше полей перехода.
Это в принципе изменило бы работу транзи-
сторов. В реальных ПТ хотя £ак составляет
32
всего несколько сот вольт на- сантиметр,
Удр^Удиф-
В неоднородной базе электрическое поле
изменяет градиент концентрации носителей.
Дырки оттягиваются полем, спад концентра-
ции у эмиттера менее крутой, чем в однород-
(dp \ I dp \
~г I < ( I .. Хотя это
dx/пр \ dx / Д“Ф
снижает среднюю скорость уЯИф, однако диф-
фузия продолжает играть немаловажную роль
в механизме переноса носителей. Предельная
частота по коэффициенту р для р-п-р триода
представлена двумя составляющими:
2
1,21£Э„ \'з'1
Если Удр^Удиф, то первым слагаемым можно
пренебречь. Наличие неоднородной базы обя-
зательно для большинства конструкций высо-
кочастотных ПТ. При этом даже неоднород-
ную базу стремятся сделать как можно более
узкой. При уменьшении w объемное сопротив-
ление базы г0.б и рассеиваемая на нем мощ-
ность входного сигнала увеличиваются. Это
отрицательно влияет на усиление тока по
мощности.
Формула (8) справедлива для расчета при
низких частотах, когда a=ao=const (ao вхо-
дит в выражение, определяющее постоянный
коэффициент 4). Для простоты в формуле не
учтена зависимость К от рабочего напряже-
ния на коллекторе. Максимальное усиление по
МОЩНОСТИ при 0,1 fa<f<2fa ДЛЯ ДИффуЗИОН-
ного р-п-р или п-р-п триода будет
3—273 33
К макс
_ afa
~ 30го.« ’
где Ск — емкость коллектора, пф.
Наибольшее влияние на частотные свойст-
ва транзисторов оказывает зарядная емкость
холлектора Ск.зар (обычно Ск.зар — 10 пф).
Иногда влияние этой емкости сказывается на
частотах порядка 1 Мгц. Для ее уменьшения
сокращают площадь коллекторного перехода
SK. Наименьшая емкость получена у поверх-
ностно-барьерных, микросплавных транзисто-
ров и в новейших конструкциях дрейфовых
триодов.
Для хорошей работы транзистора на вы-
соких частотах показательна его максималь-
ная частота генерации /макс, определяемая как
частота, при которой усиление по мощности
становится равным единице. Это наиболее
удачная характеристика, содержащая все ос-
новные параметры транзистора, так как во
всех схемах важна мощность выходного сиг-
нала.
В схеме с общим эмиттером
где fa—предельная частота усиления, Мгц.
Выражение под корнем называется фактором
качества М. Оно довольно полно характери-
зует усилительные свойства транзистора и мо-
жет быть представлено в другой форме: .
Р-рМл Р С к.макс (V,
К
34
где t/к.макс — максимально допустимое напря-
жение на коллекторе, при котором не наступа-
ет пробой; — концентрация примесей в базе.
Таблица 2
Максимальная частота генерации транзисторов
Тип транзистора ^макс» Мгц Марка, страна- изготовитель
Сплавной 20 П407 (герма ни-
Выращенный из распла- ва без дополнительной диффузии (измен яется скорость вытягивания и обратное плавление) 10 евый), СССР
Выращенный из расплава с дополнительной диф- фузией (тетрод) . . . 1000
С диффузионной базой 400 Г1411А (герман и-
Микроеплавной .... 80 евый), СССР L-6108, Англия
Микросплавной с диффу- зионной базой (МАДТ) 1000—2003 США
Меза- и эпитаксиальный 1000—2000 США
Планарный 800—1000 США
В табл. 2 приведены значения /макс, полу-
ченные на практике для различных типов тран-
зисторов. Эти данные неполные, так как для
многих вновь появившихся приборов значения
/макс еще не установлены.
Для предельных частот триода справедли-
/в . .1—а0 . ,
во соотношение Л— = —-------, где коэффи-
/а 1—ша0
циент при резком переходе и т^0,8
при плавном. Для В иногда вводят другое
з
35
понятие граничной частоты — произведение
усиления на полосу частот ft, где ft — частота,
при которой В = 1.
Работа триода в ключевом ре-
жиме. Если в базу ввести такое количество
дырок, что после полной компенсации отрица-
тельной половины объемного заряда коллек-
торного перехода они останутся в избытке, то
отрицательный потенциал перехода может
упасть до нуля и даже стать положительным,
т. е. коллектор откроется. Прямой ток ограни-
чивается внешним сопротивлением PHar- Уве-
личение количества дырок не будет увеличи-
вать ток коллектора, поэтому неуправляемый
ток называется током насыщения:
, _ "бат
/ к.нас — "р »
Лнаг
где 4/бат — напряжение питания коллектора.
Явление отпирания коллектора с перехо-
дом в режим насыщения используется в клю-
чевых схемах — схемах с общим эмиттером и
отпирающим током /б. Ключевыми параметра-
ми, кроме /к.нас и Гнас, являются время вклю-
чения и выключения, а также Вн&с — коэффи-
циент передачи тока в режиме насыщения.
Для работы импульсных ПТ важно, чтобы за-
ряды рассасывались мгновенно после выклю-
чения. Так как это связано с малым те, т. е.
высокой концентрацией рекомбинационных
центров, прибор мало пригоден для работы на
низких уровнях сигналов.
Пусть в некоторый момент на эмиттер, на-
ходящийся под потенциалом, равным нулю
36
или даже немного отрицательным (область
отсечек), приходит положительный импульс.
Тогда количество дырок в базе Рб начинает
увеличиваться. Пока концентрация дырок пе
будет равна концентрации основных носителей
в базе, добавочный ток в коллекторе очень
мал, так как почти все инжектированные дыр-
ки — носители рекомбинируют. Избыток ды-
рок приводит к возрастанию тока. Когда же
?б достигнет конечного значения, потенциал
коллектора станет положительным, хотя по-
тенциал, создаваемый на переходе внешней
батареей, останется отрицательным относи-
тельно эмиттера. Потребуется некоторое вре-
мя, чтобы коллекторный ток возрос до макси-
мального значения. Чем больше будет сопро-
тивление нагрузки, тем быстрее /к достигнет
значения /к.нас и тем меньше будет величина
выходного импульса.
Если принять, что ток базы устанавлива-
ется мгновенно, то время формирования пе-
реднего фронта импульса ti можно найти по
формулам малосигнальной теории. Для этого
время разбивают на два периода: t3— вре-
мя задержки (подход неравновесных дырок к
коллектору) и tn—время нарастания тока.
Когда (Jo — момент подачи сигнала
на базу), ток коллектора /к=0 при t3^t^.ti
i
/к = Д)/б1(1 — е~ т),
где т — эффективное время жизни неосновных
носителей в базе; Во — низкочастотный коэф-
фициент передачи тока в схеме с общим эмит-
тером.
37
При больших значениях подавать им-
пульсы высокой частоты невозможно. Узкий
импульс, уменьшаясь по амплитуде, из /7-об-
разного может стать А-образным.
Время /3 зависит от внутренних параметров
триода:
а время нарастания определяется выбранным
режимом
...
О161 1 к. нас
или
1па~т«
где
0161
— коэффициент
форсировки.
а =
к.пас
При заданном значении /к.вас желательно, что-
бы /б! было больше, так как в этом случае
/н —0.
Опытным путем установлено, что с ростом
коэффициента а до З-т-4 существенно умень-
шается /а. Поэтому выбирают
/б, = (3-4)^
Do
Увеличение тока базы, однако, имеет и от-
рицательную сторону. Оно способствует на-
коплению большого количества неосновных
носителей в базе за промежуток времени /и—*
за
—ti, где tu—длительность импульса до запира-
ния эмиттера. За время tu—^=(3-Ь4)т про-
цесс накопления заканчивается. После запира-
ния эмиттера в течение времени рассасывания
1б
Рис. 9. Импульсные парамет-
ры:
а — импульс, поданный на вход
триода; б импульс на выходе
триода.
tp концентрация носителей Рб снижается до
равновесного значения и /к.нас остается неиз-
менным. Когда коллектор выходит из области
насыщения, задний фронт начинает формиро-
ваться в активной области (рис. 9), где /к за-
висит от /б.
39
Рис. 10. Входной импульс
сложной конфигурации,
повышающий частоту пе-
реключения.
Время рассасывания равно времени вос-
становления обратного сопротивления коллек-
тора, так как в активной области коллектор
уже заперт. Если рассматривать цепь коллек-
тор — база как RC-
КОНТУР, ТО /р^ГбСк.
При небольших зна-
чениях Гб концентра-
ция примесей в ба-
зе и, следовательно,
ионизированных ато-
мов, на которых мо-
жет происходить ре-
комбинация носите-
лей, будет большой.
Рассасывание заря-
да после прохожде-
ния импульса в та-
кой базе будет про-
ходить быстрее, чем
в базе с низкой кон-
Нами не рассмотрены
центрацией приме-
сей. Время форми-
рования заднего
фронта /ф (время
спада) будет зави-
сеть ОТ /к.нас И Т.
влияние экстремаль-
ных токов на процесс прохождения зарядов в
базе и зависимость т от /б, весьма существен-
ные на высоких уровнях инжекции. Однако
даже в практических расчетах два последние
фактора часто не учитываются.
Для получения выходного импульса с кру-
тым фронтом предложен управляющий им-
40
/1(№и-\
/ноя нсн-\
г 1 струнная ।
. 'перем-'
1 ___________
1 j fpaH3ucmopbf, ~i
I вснобаннае на
I I принципе доиления
। । носителей ।
I । б попе токов
1ач°чный
]Нитебйдный[
' Дрейфовый'1.
1_ триод____
йардлтстор
Транзисторы,!
основа иные нш
I принципе 00-,
[ дуляши б об-
l/tacmu обиеи-
I ного заряби
Т“ ФилдиСтор
♦~| Спсйсистор
/дыра- \
мибание \
U/3 раса-;
\ лаба /
'Смайле\
i нас j
1
^Диф(щ-\
\ зия
^<р(Д/.зб/омн^'| J” Канальный ~| j~ Дрейфовый
;_трам___।
_mpuod_
Канальный
/Табинный
С обратным
пл млением
Дбукбазобыи
диод
б.зоморпженйы-
ми‘ примесями
Стелющей
ди&фузшй
*П Управляемый
| переключатель
' cj tpamucmopbi
« с априцатетным
несис/по
/in аллрокм/ый
сюоснМным
ксндмМ'___
MemaMJoofCvPKtri
с апнойным
каналом
Деллистор
б)лек-\
ммю-\
шое
приме.-;
х чае /
7 Зпигпак-,
\ сия !
i__mguoti_______j
диффузионной
Послебмабной
Мезатрмб
- Мезитриод с бифрузи-.
енныи ыик/перс*
Михросмпбмой С
I daytpijauwHoii базой
Г
4. ------
Планарный [-
I_____ I ... • ~_
Ц Ламинарный |
J Плопирный '
златакруалмый
4
Рис. 11. Классификация зранзистороа.
! [Диффузионный 1 I I Дрейфовый !
I J [ ' mpund______j
—i I
j Микрослийный ~♦
jrwmaKCuam>HiiM
мезатоиод
______________j'
иезигприск) с ^лр-
фузионныы
зниггтером
/\3питоксиальньп7

J
/Пасси -s
fOJpoDanue^
\ллбарх?1ш^
<(»ислЕнир^
чальный ток базы /С = (34-4)
пульс сложной конфигурации (рис. 10). На-
к.нас
-п— в течение
£>О
промежутка времени, равного (0,54-0,8) т,
обеспечивает малое /н. Минимальная величи-
на /" предотвращает появление большого за-
ряда в базе за счет избыточных носителей.
Ток (34-4) I" , практически ограничен-
ный только допустимым обратным током базы,
ускоряет рассасывание заряда, поскольку
дырки уходят на отрицательно смещенный
эмиттер.
Широкое распространение получили схема
инвертора с принудительным запиранием
эмиттера за счет добавочной батареи в базе
и схема с ДС-цепочкой на входе.
Обычной ключевой схемой, в которой при-
меняется плоскостной триод, является инвер-
тор. Инверторы на триодах с диффузионной
базой типа меза- и эпитаксиальных, а также
некоторые логические ячейки имеют следую-
щие минимальные значения для времени
включения tBK и выключения ^ВЬ1К (н/сек):
4 (80 , . (90
вк> ИЛИ /j Гвык, или
В серийных высокочастотных транзисторах
время переключения больше приведенных вы-
ше величин. Особенно велико £вык в мощных
переключателях. Прохождение токов в десят-
ки ампер приводит к накоплению значитель-
ного заряда, что ухудшает условия рассасы-
вания. Для таких приборов время переключе-
41
ния составляет несколько микросекунд, а для
высокочастотных — 100 нсек.
Нужно отметить, что коэффициент переда-
чи по току в ключевом режиме может сильно
отличаться от низкочастотного значения Во.
•-г ^к.нао Во
Поскольку —, реальное усиле-
D
ние по току Ваас ~ (3-^4)~ *
ТИПЫ ТРАНЗИСТОРОВ
Приведенная нами на рис. 11 классифика-
ция обобщает основные физические и техноло-
гические свойства транзисторов. В основу де-
ления транзисторов положены механизмы
переноса носителей — диффузионный и дрей-
фовый. Технологический способ получения пе-
реходов в приборе, обозначенный на рис. 11
кружками с пунктирными вертикальными ли-
ниями, можно определить по горизонтальной
перемычке с точкой.
Однако при описании принципа действия и
конструкций ПТ воспользуемся другой класси-
фикацией: транзисторы, работающие на неос-
новных носителях, и транзисторы, работающие
на основных носителях. Иногда граница раз-
дела будет проходить внутри одного типа
триодов.
Транзисторы, работающие на неосновных носителях
Сплавной триод как мощный низко-
частотный прибор не имеет соперников. Он
прост по конструкции, его параметры можно
42
легко рассчитать и воспроизвести. По принци-
пу действия — это диффузионный триод с рез-
ким переходом.
Впервые сплавной тип транзисторов поя- .
вился в 1949 г. Получают такой триод
(табл. 3) путем вплавления с двух сторон в
кристалл германия или кремния сплава, со-
держащего акцепторную примесь, или акцеп-
торного материала (исходный кристалл п-ти-
па) либо сплава, содержащего донорную при-
месь (исходный кристалл р-типа).
Таблица 3
Примеси, используемые в производстве
транзисторов
Тип примеси Элемент Энергия активации, эв
Германий Кремний
Литий . . . . 0,0093 0,0333
Сурьма . ♦ . 0,0096 0,039
Доноры Фосфор . . • 0,012 0,044
Мышьяк . . . 0,013 0,049
Висмут . . . — 0,067
Бор 0,01 0,045
Алюминий . . 0,01 0,057
Акцепторы Галлин . . . 0,01 0,065
Таллий . . . 0,01
Индий . . . 0,011 0,15
Цинк-^ . . . 0,03 . 0,078
Золото"** . . . 0,05 — —
Примечание. Примеси, дающие только глубин-
ные уровни, полностью не ионизированные при комнат-
ной температуре, не приводятся. Они не определяют ти-
па проводимости, а служат центрами рекомбинации для
электронов и дырок. Знак < + » означает, что примесь
дает несколько рекомбинационных уровней.
43
В сплавных триодах эмиттер обычно в
полтора — два раза меньше коллектора. Для
схем с биполярным напряжением изготовляют
симметричные транзисторы, у которых площа-
Рис. 12. Конструкция сплав-
ного р-п-р триода с кольце-
вой базой.
ди обоих переходов
равны. Конечно, у
этих ПТ коэффици-
ент а меньше, чем у
триодов с разными
по величине эмитте-
ром и коллектором.
Чтобы сплавной
триод работал на
относительно высо-
ких частотах, до
1 Мгц, ширину ба-
зы уменьшают. Уг-
лубления для кол-
лекторного и эмиттерного сплавов вытравли-
ваются или фрезеруются (рис. 12). Ширина
базы фрезерованных триодов после вплавле-
ния составляет 10—13 мкм.
Промежуток между эмиттером и базовым
контактом сплавного триода может быть до
100 мкм. Площадь кругового эмиттера состав-
ляет десятые доли квадратных миллиметров.
Однако потенциал вдоль эмиттерного контак-
та неодинаков. Эмиттерный ток р-п-р триода
имеет электронную составляющую, направлен-
ную от эмиттера к базе. Если этот ток может
вызвать заметное падение напряжения вдоль
эмиттерного контакта (мощные триоды), пе-
риферия контакта будет находиться под более
высоким напряжением, чем центральная часть.
44
Поэтому плотность тока будет убывать от пе-
риферии к центру.
Чтобы повысить эффективную проводи-
мость эмиттера, контакты базы и эмиттера
мощных сплавных триодов разбивают на ряд
тонких концентрических колец с чередованием
эмиттера и базы. В этом случае базой слу-
жит центральный диск. Когда эмиттер и база
связаны проводящей пленкой, получается
схемное соединение, известное под названием
усилитель Дарлингтона (рис. 13). В такой
схеме исходным является кремниевый п-р-п
триод. При /к=2 а и UK= 150 в коэффициент
а=1000.
В последнее время разработаны много-
кольцевые варианты этой схемы. Например,
триод, эквивалентный трем триодам с общим
коллектором и перемычками эмиттер — база.
Все эти конструкции все же неудовлетвори-
тельны: у них высокая емкость входа, так как
все емкости эмиттеров последовательно замы-
кают входные клеммы, и склонность к неста-
бильности из-за опять-таки емкостной обрат-
ной связи. Изготовляют схемы с разделенными
коллекторами, так что два из них связаны, а
третий имеет свой электрод.
В некоторых германиевых сплавных трио-
дах базу в узком слое непосредственно у
эмиттерного перехода делают неоднородной
(технология диффузии). Градиент неосновных
носителей в базе изменяется так, что под
эмиттером в р-п-р триоде дырок накапливает-
ся мало и они не препятствуют инжекции но-
вых дырок. Поэтому увеличение /э не снижает
45
эффективности эмиттера в такой степени, как
в обычном сплавном триоде.
Мощные сплавные триоды, предназначен-
ные для работы в низкочастотных ключевых
Рис. 13. Конструкция (а) и схема (б) усилителя
Дарлингтона:
б|—— центральный диск н концентрические кольцевые
выводы базы (сплав золота с бором); эь э2 — концентри-
ческие кольцевые выводы эмиттера (сплав золота с
сурьмой); / — основной кристалл кремния л-типа (база);
2 — диск коллектора (сплав золота с сурьмой).
схемах, могут переключать токи порядка де-
сятка ампер. Сопротивление насыщения их со-
ставляет от 0,25 до 0,1 ом. Эти данные отно-
сятся к кремниевым триодам, так как все
46
мощные триоды, в основном, изготовляются
из кремния.
Триоды, выращенные из рас-
плава. Почти одновременно со сплавными
триодами в качестве высокочастотного ibioc-
костного транзистора был разработан тянутый
триод, или триод, выращенный из расплава.
На затравке, медленно вытягиваемой из рас-
плава в вакууме, растет кристалл германия
или кремния. Забрасывая в расплав сначала
акцепторную примесь, затем донорную, меняя
скорость вытягивания или производя обратное
плавление, можно получать р-п-р и п-р-п
структуры. Выпускается выращенный тетрод,
имеющий р-п-р или п-р-п структуру, в которой
напротив базового вывода находится еще один
управляющий электрод. При выращивании пе-
реходов используются: разница в соотноше-
нии растворимости примесей в твердой и жид-
кой фазах; истощение расплава вблизи кри-
сталла при большой скорости выращивания;
диффузия во время и после выращивания.
Резкая граница между р- и n-слоями в таких
триодах отсутствует.
Выращенные триоды имеют плавный пере-
ход и неоднородную базу. Однако получить
таким методом достаточно тонкую базу труд-
но, да и технология изготовления кристалла
мало производительна. В связи с этим выра-
щенных триодов весьма мало по сравнению
с общим количеством выпускаемых промыш-
ленностью транзисторов.
Современная технология выращивания мо-
нокристаллов позволяет разрабатывать так
называемый дендритный метод получения дио-
47
дов и триодов. Их можно выращивать в виде
длинной монокристаллической нити или лен-
ты; после нанесения контактов такие приборы
удобно подключать по заданной схеме.
Дрейфовый транзистор. Неодно-
родная база получается при диффузии приме-
си в глубь кристалла. В германии скорость
акцепторов примерно в 100 раз меньше ско-
рости доноров, в кремнии она во столько же
раз больше. Ионизированные примеси в неод-
нородной базе распределяются так же, как
дырки и электроны. Однако в отличие от ато-
мов примеси, закрепленных в узлах решетки,
носители тока подвижны и стремятся равно-
мерно распределиться по объему кристалла.
При выключенном внешнем напряжении дыр-
ки и электроны движутся до тех пор, пока
образовавшееся электрическое поле не воспре-
пятствует поступлению носителей соответст-
вующего знака. В базе р-п-р триода устанав-
ливается градиент концентрации электронов,
а в п-р-п триода —- градиент дырок. Следо-
вательно, в базе возникает стационарное
поле.
В создании этого поля участвуют только
ионы примеси и основные носители, поэтому
величина его в каждой точке кристалла опре-
деляется заданным градиентом примесей и
температурой. Такое поле называется встроен-
ным. Для диффузионной базы p-типа его ве-
личина
_ DP dNA
Ж~^А dx •
(Ю)
48
При экспоненциальном распределении при-
месей 1
г kT . N, ,.п .
£эк — —-’П’-гт-» (10а
qtv NK ' '
где No и NK — концентрации примесей соот-
ветственно у эмиттерного и коллекторного пе-
реходов.
Инжектированные эмиттером электроны
оттягиваются встроенным полем к коллектору.
Расчетная частота триода с диффузионной
базой составляет примерно 103 Мгц.
Перепад концентраций в базе влияет на
величину коэффициента а—£уа*. Так как ве-
роятность рекомбинации при быстром дрейфе
уменьшается, то эффективность переноса
возрастает, а эффективность эмиттера у не-
много уменьшается из-за низкого сопротив-
ления базы рб.
Технология получения транзисторов с диф-
фузионной базой может быть следующей:
I. Для получения коллекторного и эмит-
терного переходов в кристалле п- и p-типа с
двух сторон осуществляется диффузия приме-
сей противоположного знака.
2. Коллекторный переход получают мето-
дом диффузии, а эмиттерный — вплавлением
примесного сплава с одной стороны кристалла.
Со стороны основного кристалла к коллектору
вплавляется омический контакт.
1 В обычных условиях (постоянный источник при-
меси) примеси в базе распределяются согласно функции
ошибок <VK = Nn
4—273
49
Рис. 14. Распределение примесей Мд и Vp в кристалле:
а — одиночная диффузия (A/D — исходная примесь в кристалле; w — база с
большим встроенным полем £о); б — двойная диффузия (tw — базовая область
p-типа. Слева и справа от базы соответственно эмиттерная и коллекторная
области Петипа).
9
3. Коллектор и эмиттер получают диффуз-
ным методом. Быстро диффундирующая при-
месь создает коллекторный переход, медленно
диффундирующая — эмиттерный.
Наибольшее распространение при изготов-
лении дрейфовых триодов получило односто-
роннее диффундирование (рис. 14). Толщина
диффузионной базы дрейфового ПТ .может
быть 3—1 мкм и меньше. Для получения тон-
кой базы в сплавном триоде надо уменьшать
толщину кристалла. В дрейфовом же необхо-
димо только подбирать режим диффузии; тол-
щина кристалла обусловливается тепловыми
потерями на нем в прямом включении. Дрей-
фовый триод по своей конструкции — высо-
кочастотный. Диффузионная технология по-
зволяет получать и мощные триоды с больши-
ми площадями переходов. Равномерный пере-
ход большого сечения легче получить
диффузией, чем сплавлением. В этом случае
конструкция триода отличается от сплавного
(см. рис. 12) только наличием диффузионного
перехода внутри кристалла.
Улучшение высокочастотных свойств дрей-
фовых триодов велось в нескольких направ-
лениях.
1. Уменьшалась толщина базы. Наиболее
тонкая база (известен триод с со = 0,75 мкм)
была получена при двойной диффузии. Чем
тоньше база, тем больше угроза прокола. В
триоде с диффузионным эмиттером на встро-
енное поле, созданное базовой примесью, на-
кладывается тормозящее поле эмиттерной
примеси. Формула (10а) выведена для слу-
чая двойной диффузии.
4’ S1 •
' Одновременная двойная диффузия практи-
чески возможна только на кремнии, так как
обгоняющая акцепторная примесь плохо в нем
растворяется. Ее концентрация Na меньше
«забивающей» концентрации Nd, что приводит
к появлению п-р перехода эмиттера.
Иногда при изготовлении диффузионного
эмиттера п-р-п триода в процессе диффузии
донорной примеси получают не только эмит-
тер, но и низкоомный п+-слой со стороны
коллектора. В сильно легированном слое носи-
тели, инжектированные металлическим кон-
тактом, рекомбинируют, не вливаясь в общий
ток коллектора. Когда коллектор сделан из
материала с высоким удельным сопротивле-
нием, добавочная инжекция приводит к росту
коэффициента а и эффекту триггерирования.
2. Уменьшалась площадь коллектора SK.
Это давало возможность сократить его ем-
кость, не снижая значительно допустимую
мощность рассеяния. В этом состоит отличие
дрейфового триода от микросплавного с диф-
фузионной базой. У микросплавного ПТ элек-
тролитически вытравлен основной объем кри-
сталла, база узкая, Ск—мало, а теплоотдача
сильно затруднена.
Стремление получить в одном триоде вы-
сокие значения РМакс и привело к разра-
ботке новой конструкции триода — мезатран-
зистора (рис. 15). Свое название этот триод
получил от геологического термина «меза» —
столовая гора, т. е. гора с плоской вершиной.
Коллекторный переход мезатранзистора
обтравливается в виде прямоугольного высту-
па с размерами сторон от нескольких мнлли-
52
метров до долей миллиметра. Размер меза-
площадки задается маской при травлении.
Например, у германиевого мезатранзистора
Рис. 15. Разрез мезатранзи-
стора:
/ — p-область эмиттера вплавного
или диффузионного: 2 — д-область
диффузионной базы; 3 — р-область
коллектора, основной кристалл; 4 —
припой; 5 — кристаллодержатель.
2N1645 (США) SK—0,225X0,65 мм, эмиттер-
ный и базовый контакты имеют размер 0,05Х
Х0,6 мм. Расстояние между контактами обыч-
но составляет 50 мкм (в новейших моделях —
микромеза — до 4 мкм), ширина контактов —
10 мкм. Мезаплошадки размером 1,6-10-5 мм2
бывают в основном у эпитаксиальных меза-
триодов. Омический контакт к коллектору мо-
жет быть довольно массивным, обеспечивая
хороший отвод тепла. Однако ничтожно малые
плошади базового и эмиттерного контактов у
микромезаструктур ограничивают рабочий ток.
Для германиевого мезатриода обычного типа
на частотах в несколько сот герц Рмакс ~
ск 0,1 вт.
53
В зависимости от требований, предъявляе-
мых к триоду, конфигурация контактов на
мезаплощадке может быть различной. Наибо-
лее простые—контакты микромезатриодов
(рис. 16, б). Поле в базе здесь не симметрич-
но. В мезатриодах обычных размеров пред-
почтение отдается контактам такой конфигу-
Ш777ЛЗ
VZZZ&o
*
Q
5^3
6
Рис. 16. Различные конфигурации электродов ба-
зы и эмиттера.
рации, как показано на рис. 16, а и 16, б. Кон-
такты типа «подкой’а» (рис. 16, в) и «замочная
скважина» (рис. 16, а) применяются тогда,
когда нужно увеличить площадь эмиттера или
базы для отвода тепла или, чаще всего, для
припайки контакта.
В .мощных триодах, работающих на токах
в десятки ампер, электроды базы и эмиттера
имеют форму вставленных один в другой гре-
бешков. Большой периметр контакта в сочета-
нии с малой его площадью позволяет увели-
чить ток, ненамного повышая емкость, и
уменьшить сопротивление база — эмиттер. По-
следнее снижает сопротивление насыщения в
ключевом режиме. Если при 2-зубчатом эмит-
тере у кремниевого мезатриода гаас = 0,5-Ь
4-0,7 ом, то при 6-зубчатом raac —0,24-0,3 ом,
54
механической прочности
Рис. 17. Мощный высокоча-
стотный мезатриод.
а при 12-зубчатом гнас = 0,14-0,2 ом. В герма-
ниевых и кремниевых транзисторах сплавным
эмиттером обычно бывает полоска алюминия.
Из соображений
коллекторную об-
ласть основного кри-
сталла делают до-
вольно толстой, око-
ло 100 мкм, в соот-
ветствии с требова-
ниями высоковольт-
ного коллектора
удельное сопро-
тивление материала
триода должно быть
1 — 2 ом. В трио-
де размером 1X
X1 мм сопротивле-
ние коллектора гн—
=^2 ом. Высокое
значение времени восстановления объемного
заряда гкСк ограничивает применение меза-
триодов в ключевых схемах.
Триод с послевплавной диффу-
зией можно получить, применяя диффузию
после вплавления. Для этого в пластинку
р-германия путем диффузии вводят донорную
примесь. Затем с одной стороны кристалла
вплавляют два шарика сплава, один из кото-
рых содержит доноры и акцепторы, другой —
только доноры. Если кристалл и сплав нагреть
до температуры эвтектики, на границе их раз-
дела появится узкий слой расплава, содержа-
щий полупроводник и компоненты сплава,
согласно диаграмме состояний элементов. При
55
остывании соотношение элементов в жидкости
и в твердой фазе изменится опять-таки соглас-
но диаграмме. Окончательно остывшая, ре-
кристаллизационная область под сплавом ока-
жется неоднородно легированной примесями.
Время вплавления принимается таким, чтобы
быстро диффундирующие доноры могли про-
никнуть в германий и образовать перед фрон-
том вплавления тонкий (1—3 мкм) слой л-ти-
па. Если исходные концентрации примеси
выбраны правильно, рекристаллизационная
область под первым сплавом окажется дыроч-
ной (эмиттер).
После этого место вплавления обтравли-
вается по типу «меза». Таким способом полу-
чают ПТ с хорошо воспроизводимыми пара-
метрами.
Несмотря на низкое удельное сопротивле-
ние диффузионной базы, в новейших конструк-
циях ПТ удалось получить пробивные напря-
жения эмиттер — база 3,5 в. В импульсных
схемах это позволяет для рассасывания заря-
да в базе подавать большой отрицательный
импульс.
Дрейфовые транзисторы используются в
схемах линейных усилителей и в ключевых
схемах. В поле радиации они наиболее ста-
бильны, поэтому их применяют в электронной
аппаратуре ядерной энергетики.
Данные об одном из наиболее высокочас-
тотных транзисторов П411 приведены в
табл. 4. Улучшенный германиевый транзистор
П411 позволяет получить }манс—ЗГгц и fa—
= 700 Мгц. В импульсных схемах применяется
высокочастотный триод П416 (рис. 18).
56
Частотные и усилительные характеристики
кремниевых триодов с диффузионной базой
хуже германиевых (табл. 4). Это свидетель-
Рис. 19. Мощный высокоча-
стотный транзистор в раз-
личном оформлении.
Рис. 18. Транзистор
серии П416.
ствует о том, что кремний как материал для
триодов недостаточно освоен. В Советском
Союзе на основе германия выпускаются мощ-
ные дрейфовые высокочастотные транзисторы
серий П601-Т-П601F, П602-Г-П602А и импульс-
ные триоды П605Ч-П605А, П6О64-П6О6А, ко-
торые получили название конверсионных *. Ча-
1 Кристалл n-типа легируют медью до получения р-
типа. Затем путем диффузии сурьмы получают базо-
57
Основные параметры некоторых
Марка транзи- стора ^КО’ мка 'о. 6 ск (макси- маль- ное), мксек /макс- /а- Мг* « i 3 а (макси- |> мальное), ма (макси- мальное), M'J шг ™’nd 1 —
Дрейфов Ыё
[1403 П411А П416Б 5 2 2- 8 500 200 500 120 400 — 1 10 20 15 1 1 1 0,05 0,10 0,10
Дре! |ф0ВЫС
П5О1А 1(Ю| 10 — — — 10 0,15
Г15ОЗА look Гп= 120°С 60 — г — 10 0,15
П601А 50—80 'к= —? 20 — Ко 100-0 <верст ЮНН БК 1,0
П602А 70—100 =0 ,оа — 20 —— 1000 — 1,0
Конверсионньк
П605 2000 При Мак- симам,- 0,5 — — 3 1500 — 0,5
П606А 2000 ном ним значе- 0,5 — — 3 1500 — 0,5
стотные характеристики этих приборов не луч-
ше, чем у других триодов, приведенных в
табл. 4. Но благодаря высоким усилительным
вый слой, в который вплавляют индий. Медь диффун-
дирует в расплав индия и германия Под расплавом
возникает n-слой Для полученной при этом р-п-р струк-
туры характерно малое время рассасывания заряда, так
как время «жизни» носителей сокращается из-за высо-
кой концентрация рекомбинационных центров — атомов
меди.
58
выпускаемых в СССР транзисторов
Таблица 4
а гкле> °-* ^нас’ • £/?К’ в
германиевые
15 100—20U 80—200 — 2 (19=&)ма) 10 6
кремниевые
19 390| Г..=120°С — 20 При замк-
19 высокочастотные 19оЬб=2,5 жа 20 нутых вы- водах эмит- тер—база
40—100 80—200 =0,5а 3) } / =| а з/ 1 1 15 15. При отклю- ченной базе
импульсные
20—( 50- 50 120 2| 9j’ /х=°»5 а — 45 35 При макси- мальном значении "«.б
свойствам (значение В может достигать 250),
высокой мощности рассеяния (Рмакс=1 вт
при Л=10 дб и /=24-6 Мац), большим зна-
чениям пиковых напряжений и токов им-
пульсных приборов при малых гс Ск транзи-
сторы этого типа относятся к лучшим совре-
менным мощным дрейфовым триодам.
Если один и тот же прибор используется
59
и в мощных, и в высокочастотных схемах, его
оформляют в различных корпусах (рис. 19).
Эпитаксиальный мезатранзи-
сто р. Недостатки мезатрапзистора как трио-
Рис. 20. Разрез эпитаксиального
м еза тр а нзистор а:
/ и 2 — диффузионные области соответ-
ственно эмиттера и базы в эпитакси-
альном слое; • 3 — узкий участок соб-
ственно эпитаксиального слоя, коллек-
торная область: 4 — основной кристалл;
5 — припой; 6 — кристаллодержатель.
да для переключающих схем устранены в ме-
затранзисторе с эпитаксиальным слоем 6 в
коллекторной области (рис. 20). В этом при-
боре на кристалл кремния с низким значением
р (10~3 ом-см) нарощен из паровой фазы тон-
кий слой (2,5—5 мкм) кремния с проводи-
мостью, близкой к собственной. Для получе-
ния диффузионной базы толщиной 0,5-т-
4-0,25 мкм в слой б путем диффузии вводят
алюминий или бор (примесь p-типа).- Эмиттер
получают при диффузии сурьмы или фосфора
60
(примесь n-типа) из контактного эмиттерного
сплава.
Основное отличие структуры эпитаксиаль-
ного транзистора от мезатриода — наличие
узкой коллекторной области с высоким сопро-
тивлением и мощный слой материала с очень
малым значением р (п-р-п-п+ структура1).
Высокоомная область непосредственно на
границе перехода обеспечивает здесь пиковые
напряжения больше 40 в, т. е. более высокие,
чем у мезатриодов, удельное сопротивление
исходного материала которых не превышает
1—2 ом-см. Время переключения эпитак-
сиальных триодов в два раза меньше, чем
однотипных мезатриодов. У эпитаксиальных
ПТ /рас 10 нсек, (Лас=0,5—0,7 в, а токи
невелики, примерно несколько миллиампер,
мощность рассеяния такая же, как у меза-
триодов.
В эпитаксиальном триоде область коллек-
тора с низким удельным сопротивлением в
рекомбинации основных носителей, инжекти-
рованных металлическим контактом, играет
ту же роль, что и в триоде с диффузионным
п+-слоем у коллекторного вывода.
1 В отличие от обозначений л и р для слоев с опре-
деленным типом проводимости символы п+ и введе-
ны как характеристики более легированных слоев той
же проводимости. Это может быть сплав металла с по-
лупроводником в рекристаллизационной области или по-
лупроводник, в котором примесные уровни смыкаются в
примесную зону. Иногда эти символы вводятся для то-
го, чтобы показать, что между двумя областями с од-
ним типом проводимости существует резкий перепад
концентраций примеси, играющий роль слабого пере-
хода.
61
Планарный транзистор. Малые
площади переходов точно заданных контроли-
руемых размеров и узкая база для повыше-
ния /макс, хороший отвод тепла, высокое рв
для получения больших значений а, низкое
сопротивление насыщения, хорошая защита
перехода от внешних воздействий для обеспе-
чения стабильной работы — таков комплекс
требований, предъявляемых при разработке
конструкций приборов. Этим требованиям ча-
стично удовлетворяют планарные триоды.
Планарный транзистор отличается от дру-
гих ПТ наличием пленки окиси кремния на
поверхности. Так как технологически такую
пленку проще получить на кремнии, чем на
германии, то планарные транзисторы, в основ-
ном, кремниевые. На рис. 21 схематически
изображены этапы изготовления планарного
триода. В пленке окисла, полученного терми-
чески на исходном кристалле (рис. 21, а) в
парах воды на воздухе или в кислороде, фо-
тографически вытравливается окно для диф-
фузии базовой примеси — бора (рис. 21, б).
В процессе диффузии окно снова затягивается
пленкой, а переход выходит на поверхность
под надежную защиту SiO2 (рис. 21, в). Для
диффузии эмиттерной примеси — фосфора —
травится новое окно (рис. 21, г), которое
опять затягивается пленкой SiO2 (рис. 21, д).
Затем в сплошной пленке вытравливаются ка-
навки для электродов, после чего в вакууме
напыляют контакты типа «подкова» или «за-
мочная скважина» (см. рис. 16). Для улучше-
ния частотных свойств и сохранения мощности
иногда напыляют звездообразные контакты с
62
большим периметром. В этом случае эффект
тот же, что и при гребешковой конструкции.
Рис. 21. Этапы изготовления кремнйевого планар-
ного транзистора:
а—е — получение п—р—п структуры методом диффузии
с одновременным окислением поверхности; м — общий
вид готового планарного транзистора (/ — SiO2; 2 — ос-
новной кристалл; 3 — диффузионный слой Р-типа).
Планарный триод имеет крупный недоста-
ток. В процессе диффузии эмиттера или окис-
ления на поверхности кремния создаются
центры загрязнения донорной примесью, кото-
63
рая при разогреве диффундирует, создавая
трубки п+-типа. Трубки являются путями
утечки и пробоя. В результате возникновения
трубок Uк не может быть больше 20 в. Для
предохранения от загрязнения донорной при-
месью вблизи коллекторного перехода на по-
верхности базовой области создается кольце-
вой канал р+-типа, который препятствует диф-
фузии допоров по поверхности.
Для производства твердых схем, когда все
активные элементы — триоды или диоды —
выполнены в одном кристалле, а сопротивле-
ния и емкости — либо участки кристалла и
переходы, либо тонкопленочная схема поверх
окиси, для таких схем нужны триоды с выво-
дами в одной плоскости. Впрочем, такой триод
лучше присоединить к готовым микросхемам,
клеить их на подложки, при герметизации он
требует меньшего объема защитной эмали.
Рассмотренная конструкция имеет двухплос-
костное распределение электродов: коллектор
противостоит эмиттеру и базе. Если базовое
контактное кольцо окружить еще одним коль-
цом — контактом коллектора — и провести в
это кольцо диффузию донорной примеси одно-
временно с диффузией эмиттера, то последо-
вательное сопротивление коллектора увели-
чится за счет включения в цепь узкой области
кристалла под базой и уменьшится за счет низ-
коомной приконтактной области. В результате,
серьезных изменений в работе прибора не
произойдет, а удобства от одноплоскостной
конструкции выводов очевидны. По такому
методу в настоящее время изготовляют боль-
шинство микротриодов.
64
Если процесс изготовления был проведен
достаточно чисто, планарные триоды надежны
и стабильны во времени. Травление и защита
лаком не дают такого эффекта, как окисле-
ние. Иногда защита окислом производится
после получения структур.
Пленка диэлектрика S1O2 используется для
создания новых конструкций приборов. Создан •
тетрод, в котором полевой контакт, «сетка»,
расположен на окисной пленке и как бы под-
ключен через конденсатор к базе. Он управ-
ляет эмиттерным током и модулирует входные
и выходные характеристики. В схеме с общим
эмиттером «сетка» может быть использована
в качестве второго входа. В планарных трио-
дах благодаря высокой чистоте перехода /ко
в два — четыре раза меньше, чем в приборах
других типов.
На основе эпитаксиальных триодов разра
батывается новый класс микромошных тран-
зисторов, в которых рассеиваемая мощность
меньше 1 мет. Такие ПТ используются в ло-
гических схемах, особенно в матричных эле-
ментах, когда вся схема выполнена по типу
модуля или твердой схемы. Микромошные
транзисторы можно сжать по объему, так как
токи в несколько микроампер не вызывают
разогрева триода. Счетчики на микромошных
транзисторах работают на частоте от 1 до
100 Мац. Специальные устройства обеспечи-
вают сигналы нормальной мощности на входе
и выходе.
Эпитаксиальные планарные
триоды объединяют в себе лучшие свой-
ства эпитаксиальных и планарных прибороз.
5—273 65
В процессе изготовления таких ПТ на основ-
ном полупроводнике выращивается эпитак-
сиальный высокоомный коллекторный слой, а
базовую и эмиттерную области, покрытые
окисным слоем, получают по технологии изго-
товления планарного транзистора (рис. 22).
Новейшие транзисторы этого типа имеют зве-
здообразную конфигурацию электродов — ба-
зы и эмиттера. Эпитаксиальные планарные
триоды называют иногда универсальными, так
как они характеризуются высокочастотными
свойствами, малым напряжением насыщения,
стабильностью характеристик Ч Универсаль-
ные транзисторы не являются каким-то новым
классом приборов, изготовляемых по одной
технологии. Германиевые эпитаксиальные ме-
затранзисторы и даже мезатриоды с после-
вплавной диффузией, работающие в широком
диапазоне частот от 200 кгц до 120 Мгц, в
некоторых странах (например, в США) так-
же называют универсальными.
Структуру эпитаксиального транзистора
можно получить исключительно диффузион-
ным способом. Но ведут диффузию не два, а
три раза. Первая диффузия заменяет эпитак-
сию; за основу берется не п+, а я-тип крем-
ния. При этом на поверхности всего кристалла
получается п+-слой. Затем с одной стороны
кристалла этот слой снимается и так же, как в
планарном триоде, получают диффузионные
базу и эмиттер. Можно получить диффузион-
1 Максимальное время переключения универсальных
планарных транзисторов 2N2102 и 2N1613 равняется
30 нсек, Uv б=120 в, /и = 0,1 на, {A,ac=0,5-j-1 в при
^к. аас^О, 15 А
66
ные слои равномерной толщины на большой
площади, но при эпитаксиальном выращива-
нии это весьма затрудни1ельно. У планарного
транзистора с тройной диффузией пробивное
Рис. 22. Разрез эпитаксиального
планарного транзистора звездооб-
разными электродами (коллектор-
ный переход p-i).
напряжение коллектора не меньше, чем в эпи-
таксиальном, 50—60 в.
Простота и воспроизводимость планарных
транзисторов, гибкость структуры, возмож-
ность придавать электродам любую конфигу-
рацию, высокая механическая прочность и
стабильность в работе, вероятно, будут спо-
собствовать вытеснению мезаконструкций
планарными. В настоящее время успешно раз-
рабатываются и кремниевые, и германиевые
триоды, у которых защитная окисная пленка
наносится на переходы после изготовления
коллектора по типу меза. Окись напыляется,
выращивается под давлением при низких тем-
пературах или образуется из полихлорсила-
5*
67
нов. В этом случае получают мезапланарные
или мезаэпитаксиально-планарные триоды.
Примерно с 1962 г. эпитаксиальные и пла-
нарные мезатриоды стали выпускать в произ-
водственных масштабах. Очевидно, развитие
высокочастотных триодов будет итти по пути
слияния всех типов в одном приборе.
Поверхности о-б арьерный три-
од— почти ровесник сплавного. Это был пер-
вый высокочастотный триод, способный кон-
курировать с электронными лампами. Он
представляет собой логическое продолжение
сплавного триода, вернее, его высокочастот-
ных видоизменений (например, триода с фре-
зерованной канавкой). Основная цель, которая
преследовалась при создании поверхностно-
барьерного триода,— максимальное сужение
базы и повышение предельной частоты /а, не
считаясь с потерей мощности рассеяния Рмакс-
Переходы поверхностно-барьерного триода
находятся на границе металл-полупроводник.
Если триод кремниевый, переход является
энергетическим барьером, высота которого
определяется контактной разностью потенциа-
лов. Высота барьера Дф определяется работой
выхода в полупроводнике <рп и в металле фм:
= фп — Фм
Когда фм<Сфа, электроны переходят из ме-
талла в полупроводник. После установления
термодинамического равновесия приток элек-
тронов в полупроводник прекратится; в при-
контактном слое возникнет объемный заряд
электронов.
68
В этом случае у дырочного полупроводника
получится поверхностно-барьерный переход.
Приложив напряжение таким образом, что на
металле будет плюс, а на полупроводнике ми-
нус, мы создадим ноле, оттягивающее носи-
тели из приконтактного слоя: дырки уйдут в
глубь полупроводника, а электроны — в ме-
талл; высота барьера возрастет (обратное
смещение). У электронного полупроводника
электроны заполнят приконтактный слон и,
как бы не менялась полярность внешнего на-
пряжения, никакого выпрямления тока здесь
не произойдет, контакт будет омическим.
При фм2>фп электроны из полупроводника
пойдут в металл и на границе полупроводни-
ка возникнет положительный объемный заряд.
Выпрямление будет в том случае, если полу-
проводник л-типа, а омический контакт на
кристалле p-типа. У германия выпрямитель-
ные свойства не зависят от разности q-n—фм.
Выпрямление можно получить только на элек-
тронном материале. Это объясняется тем, что
в германии решающую роль играет припо-
верхностный инверсионный слой, представляю-
щий собой тонкий слой полупроводника, у ко-
торого знак носителей противоположен знаку
носителей основного кристалла. Этот слой
образуется в результате наличия поверхност-
ных уровней.
Обычно поверхностные уровни — это уров-
ни захвата электронов — акцепторы. Непо-
средственно у поверхности возникает тонкий
p-слой. Если полупроводник л-типа, образует-
ся р-п переход. В германии p-типа должна
наблюдаться та же картина с захватом дырок.
69
Но з электронном полупроводнике р-п пере-
ход на поверхности сохраняется и тогда, когда
на нее нанесен металл, в дырочном же вы-
прямление на поверхности нельзя обнаружить.
Это явление пока не получило объяснения.
Поверхностно-барьерный триод изготов-
ляют электролитическим травлением лунок
диаметром 100—150 мкм (эмиттер) и 150—
200 (коллектор) с последующим электро-
химическим осаждением металла в лунках.
В качестве контактного металла чаше всего
используют индий, иногда олово, медь, цинк
или кадмий. Толщина контакта — несколько
микрометров, ширина базы — I—2 мкм. Бла-
годаря такой конструкции триода в цепь эмит-
тер — база включается сопротивление узкого
базового перешейка г0.б» заключенного между
лунками, что значительно повышает сопротив-
ление входа. Это качество выгодно отличает
поверхностно-барьерный триод от других трио-
дов, работающих на неосновных носителях.
Первые схемы с непосредственными связями
(в вычислительных машинах) были собраны
на поверхностно-барьерных триодах. Но высо-
кое /"об в импульсном режиме, как мы знаем,
имеет и отрицательную сторону.
Для повышения эффективности эмиттера и
напряжения коллектора эмиттерный и коллек-
торный контакты иногда слегка вплавляют.
При этом образуется новая конструкция ми-
кросплавного триода.
Микросплавные транзисторы применяются
в высокочастотной технике. Время переключе-
ния таких ПТ составляет сотые доли микро-
секунды.
70
У триодов обоих типов пробивное напряже-
ние не выше 3—5 в, а рассеиваемая мощность
не превышает 25—50 мет. В поверхностно-
барьерных и микросплавных триодах велика
угроза прокола, так как для достижения не-
обходимых пробивных напряжений исходный
материал должен иметь высокое удельное
сопротивление. В германии с низким р на-
пряжение Опроб составляет десятые доли
вольта. Это исключает его применение в про-
изводстве микросплавных триодов.
М икросплавной транзистор с
диффузионными базой и коллек-
тором. Микросплавпой транзистор с диффу-
зионной базой (МАДТ) получают с использо-
ванием тех же методов, что и дрейфовый
триод. Однако диффузия в нем ведется либо
на электрохимически вытравленном кристал-
ле, либо до травления. Контакты микро-
сплавные.
Оригинальное конструктивное решение
германиевого триода с диффузионным коллек-
тором представлено на рис. 23. Такой триод
имеет следующие параметры: /пер=0,5 а\
^макс===2 в!П', Гдас^Д,? ОЛТ; Дчакс —85Q
^к.б = 25 в. Транзистор этого типа можно по-
лучить по технологии, включающей диффузию
со стороны коллектора, электрохимическое
травление, осаждение контактов и их вплавле-
ние на заданную глубину (микросплавление),
а также химическое обтравливание перехода
по типу мезаструктуры. Так как эмиттер на-
ходится не в плоскости базы, базовый вывод
можно разместить на поверхности с высокой
проводимостью недалеко от эмиттера. Это
1к
обусловливает малые значения г0.б. Эмиттер-
ный переход находится в области с более вы-
соким ре, ближе к коллектору, что обеспечи-
Рис. 23. Разрез микросплавно-
го транзистора с диффузион-
ным коллектором.
вает оптимальное напряжение пробоя и хоро-
шие частотные характеристики.
В приборе сочетаются лучшие качества
высокочастотных транзисторов. Травление
лунки на заданную глубину позволяет подво-
дить коллекторный контакт ближе, чем в лю-
бом другом транзисторе, и заменять массу
кристалла в области коллектора массой ме-
талла. Благодаря мезаплошадке площадь
коллекторного перехода Sn и его емкость ма-
лы. Такая конструкция коллектора позволяет
значительно улучшить теплоотвод и повысить
высокочастотные свойства прибора.
Опытный микрослойный триод является
разновидностью усовершенствованного поверх-
ностно-барьерного транзистора. На вытрав-
ленный кристалл с перемычкой шириной
0,25 мкм с двух сторон наносят эпитаксиаль-
ный слой германия с проводимостью, близкой
к собственной (t-тип). После покрытия лунок
72
электролитическим путем индием или кадмием
производят микровплавление. В данном слу-
чае база состоит из трех слоев — i-n-i. Соот-
Рэр
ношение ---- непосредственно под эмиттером
Рбг
значительно меньше, чем для однослойной
высокоомной базы. Это повышает эффектив-
ность эмиттера у и, следовательно, увеличи-
вает коэффициент усиления по току. Чтобы
ограничить распространение объемного заря-
да, прослойка л-типа может иметь низкое
удельное сопротивление. Расчетная частота
микрослойного транзистора — до 10 Ггц.
Вначале сплавной и поверхностно-барьер-
ный триоды получали различными технологи-
ческими путями. Конструкция, структура пере-
ходов, характеристики этих двух типов тран-
зисторов различны. «Потомки» этих транзи-
сторов — дрейфовый мезатриод с микросплав-
ным эмиттером и микросплавной мезатриод с
диффузионным коллектором не имеют прин-
ципиальных различий.
И хотя теоретические возможности триодов
этого типа велики, требования микроэлектро-
ники, переход к монолитным твердым схемам
делает их малоперспективными. Предпочтение
отдается эпитаксиальным планарным транзи-
сторам.
Транзисторы, работающие на основных носителях
Примерно с 1950 г. начались конструктив-
ные поиски транзистора, который полностью
был бы аналогом лампового триода с высоким
73
коэффициентом усиления и высоким входным
сопротивлением.
Широко распространенные в то время то-
чечные триоды были нестабильными, с малым
гВх и во всем, кроме габаритов и экономично-
сти питания, уступали лампам. Первые сплав-
ные триоды (1951 г.) работали на частотах в
несколько десятков килогерц и тоже имели не-
большое входное сопротивление.
В 1952 г. Шокли разработал конструкцию
транзистора, работавшего на основных носите-
лях, и назвал его униполярным, т. е. имеющим
во всем гриоде носители одного знака. Перве-
нец этого класса приборов — канальный
триод — часто называют полевым транзисто-
ром. Полевыми называют все приборы, у ко-
торых ток модулируется электростатическим
полем управляющего электрода. Все они в
гой или иной мере являются аналогами элек-
тронной лампы.
Практика показала, что полевые триоды на
неосновных носителях, задуманные как более
совершенные приборы, не могли заменить то-
ковые плоскостные триоды. На основе трио-
дов, работающих на неосновных носителях,
были созданы новые схемы инверторов, триг-
геров, регистров сдвига, появились схемы с
непосредственной связью — без сопротивлений
и конденсаторов. Новейшие канальные трио-
ды, которые являются сейчас основой произ-
водства полупроводниковых приборов в Япо-
нии и Франции, по своим достоинствам во
многом превзошли электронные лампы. Но
и они не стали их полными аналогами. Луч-
шие канальные триоды для логических
74
ячеек — это триоды на неосновных носителях.
Наиболее простой современный канальный
триод (рис. 24) представляет собой кристалл
(брусок) кремния или германия, который
Рис. 24. Конструкция и схема включения каналь-
ного триода:
К — катод; А — анод; С — сетка; пунктиром показана
область, занятая объемным зарядом.
посредине, в месте вплавления выпрямляюще-
го контакта — затвора — утончен, а по краям
имеет два омических контакта — исток (ка-
тод) и сток (анод). Переход — затвор — вклю-
чен в обратном направлении, поэтому на вхо-
де прибора гвх имеет высокое значение: не-
сколько мегом. Управление полем сводится к
модуляции ширины перехода затвора, т. е.
ширины области кристалла, где находится за-
крепленный в узлах решетки пространствен-
ный заряд, а свободные носители тока почти -
отсутствуют. Увеличение напряжения затвора
приводит к расширению этой области за счет
75
остальной части кристалла. При этом эффек-
тивное сечение, через которое течет ток,
уменьшается, сопротивление растет и выход-
ной ток падает. Другими словами, поле пере-
хода оттесняет электроны, оставляя им для
прохода узкий канал. Если напряжение затво-
ра понизится, переход сузится и ток на выходе
возрастет.
Управление сигналом, поданным на вход,
будет эффективным тогда, когда изменение
ширины перехода соизмеримо с шириной са-
мого бруска. Поэтому канальные триоды изго-
товляют из высокоомного материала — герма-
ния с р=2—20 ом-см. При небольших изме-
нениях напряжения это обеспечивает значи-
тельное приращение ширины перехода, вплоть
до полного запирания канала.
Несмотря на то, что на выходе прибора
переходы отсутствуют, высокое сопротивление
кристалла способствует повышению входного
сопротивления (до 1 Мом). Усилительные
свойства канального триода, так же как и ва-
куумной лампы, характеризуются крутизной
Д1
S — -гтт— • Иногда, согласно транзисторной
ДЫвх . г
о А/ вых
теории, считают, что о == —у
В канальном триоде носители движутся
в электрическом поле. При расстоянии между
истоком и стоком /=1 Л1Л1 и £/си=10 в имеем
£=100 в/см, /пр=2,5-10~7 сек. Для такого
fnp ширина базы сплавного триода должна
быть 0,1 ЛЮ1, что практически невозможно.
В идеальном случае канальный триод должен
работать на частотах до 10 Ггц. Скорость про-
вх
76
лета.носителей увеличивается за счет повы-
шения напряжения на контактах и уменьше-
ния длины канала I. Время установления за-
ряда, определяемое входной емкостью, зави-
сит от плошади перехода.
Своеобразное решение проблемы емкости
было найдено при разработке схемы транзи-
стора, названного текнетроном. Это каналь-
ный триод цилиндрической формы с кольцевой
проточкой — горловинкой, на поверхности ко-
торой электролитическим путем нанесен узкий
слой индия.
Входная емкость текнетрона около 0,1 пф.
В нем значительно уменьшена обратная связь
на распределенном сопротивлении между ка-
тодом и каналом. Эта часть кристалла явля-
ется общей для входной и выходной цепей так
же, как база плоскостного триода в схеме с
обшей базой. В канальном триоде обратная
связь отрицательна. Падение напряжения на
распределенном сопротивлении Rpac имеет по-
лярность («—» на истоке, «+» у затвора), по-
вышающую потенциал затвора. При отрица-
тельном значении Д UBX сужение канала при-
водит к уменьшению Д /вх и добавочного вну-
треннего напряжения. Если в начальный мо-
мент ширина перехода, определяемая внешней
и внутренней составляющими,
Х]5 — XqS J С'внеш 4” /нх/?рас>
то после подачи на вход сигнала полу-
чим
*2- = Р (t^BHeu. 4* Д^вх) 4“ ^вх^рас ~~ Д^вх^рас»
77 .
где xos — ширина слоя объемного заряда при
отсутствии сигнала.
Очевидно, разность Дл==Х2з—*is без об-
ратной связи оказалась бы больше, т. е. уси-
ление выше.
В текнетроне удельное сопротивление гер-
мания постепенно изменяется вдоль образца;
р катода примерно в 3000 раз меньше р ано-
да (п+-п структура). Горловинка помещается
как можно ближе к катоду. Таким образом,
Крае приближается к минимуму, а участок
между затвором и стоком представляет собой
высокое сопротивление. Рабочее напряжение
текнетрона 30—90 в, максимальная частота
около 1 Ггц.
Сконструирован опытный текнетрон с тре-
мя электродами на горловинке. Центральный
электрод — сетка, а два прилегающих к нему
электрода — фокусирующие электростатиче-
ские «линзы». У такого текнетрона макси-
мальная частота усиления достигает 5 Ггц.
Планарная диффузионная технология поз-
волила получить многоканальный (много-
стержневой) кремниевый текнетрон. Сквозь
вытравленную решетку в окисном слое про-
изводится диффузия акцепторов в кристалл
«+-/? структуры. В «-области примеси переком-
пенсируются с образованием решетки р-типа,
которая служит затем сеткой.
В обычном канальном триоде канал иногда
искажается дырочным током.
В высокоомном электронном полупровод-
нике дырочным током, состоящим из неоснов-
ных равновесных носителей, генерируемых в
объеме образца, можно пренебречь. Если к
78
этому току добавляется даже незначительная
инжекция дырок одним из омических контак-
тов, дырочный ток начинает играть существен-
ную. роль. Направляясь к отрицательно заря-
женному переходу, дырки, снижая потенциал,
повышают его проводимость. Технологически
трудно получить чисто омический контакт без
элементов инжекции. Кроме того, в электрон-
ном германии источником дырок может быть
инверсионный слой под гальванически осаж-
денным металлом контакта. В кристалле п+-п
структуры • дырки рекомбинируют в и+-слое.
Это второе преимущество текнетрона.
У канальных триодов максимальный вы-
ходной ток гем больше, чем толще кристалл
под затвором. Напряжение отсечки t/отс, при
котором канал полностью перекрывается
объемным зарядом, тем меньше, чем тоньше
канал. Чтобы пропустить большой ток, канал
должен быть широким, для обеспечения малых
значений U0TC — тонким, а для уменьшения
времени пролета — коротким. Идеальная фор-
ма канала триода — тонкое, узкое кольцо. Че-
рез запертый канал течет ток отсечки, кото-
рый состоит из обратного тока затвора /Обр и
тока утечки через канал. Величина /Обр не
зависит от напряжения стока. Такой режим
работы называется режимом насыщения. Чем
меньше утечка, тем выше /?Нас, тем надежнее
заперт триод.
Конструкция канального тетрода-алькатро-
на — аналогична конструкции мощного сплав
ного кольцевого триода, у которого централь-
ный базовый круг — исток, первое (эмиттер-
ное) кольцо — затвор, второе (базовое) —
79
Рис. 25. Конструкция пла-
нарного канального триода.
планарную технологию.
сток, а круговой коллекторный контакт слу-
жит вторым входом. Чтобы исходный канал
был тонким, на второй затвор подается по-
стоянное обратное смешение. Для уменьшения
времени пролета ка-
нальный триод из-
готовляют обычно
из германия или
кремния n-типа, так
как электрон более
подвижен, чем дыр-
ка. Но мощные ка-
нальные триоды
проще получать на
кремнии, применяя
3 этих приборах ра-
бочий ток — дырочный (рис. 25).
Преимущество планарной конструкции —
очень узкий канал без потерь механической
прочности. Расстояние между анодом и като-
дом составляет всего 100 лскл, что повышает
предельную частоту усиления.
У германиевого дырочного алькатрона
мощность достигает 5 вт, тогда как у обыч-
ных ПТ она колеблется в пределах 100—
200 мет. Крутизна алькатрона — 1500—5000.
Для твердых схем разработан кремниевый
канальный триод с диффузионным переходом.
Кристалл с одним диффузионным переходом
и металлическим покрытием с двух сторон
протравливается гак, что получается цепочка
канальных триодов—многовходовая схема
типа «и» с непосредственной связью (рис. 26).
Особое место среди полевых триодов зани-
маю! приборы, работающие на неосновных но-
80
сителях и имеющие участок отрицательного
сопротивления на вольт-амперной характери-
стике входа. Один из них, опытный прибор
несистор, по конструкции — сплавной р-п-п+
триод, изготовляется следующим образом.
На одной стороне пластинки германия
вплавляется массивный выпрямляющий кон-
Рис. 26. Канальные кремниевые
триоды, соединенные последова-
тельно в одном кристалле.
такт — р-п переход, с противоположной сто-
роны намного меньший по диаметру полуоми-
ческий контакт — п-п+ переход. Рабочий ток—
это ток неосновных носителей, ток дырок, воз-
никающих при тепловой генерации. Отрица-
тельное напряжение подается как на р-п, так
и на п-п+ переход; дырки распределяются
между обоими электродами в зависимости от
величины их потенциалов, р-п переход в каче-
стве затвора может запереть второй переход.
Но по мере роста отрицательного напряжения
«барьер», созданный затвором, уменьшается.
При каком-то значении напряжения на п-п+
переходе ток резко возрастет, снизив сопро-
6—273
8J
тивление входа (переход п-п+-база). В резуль-
тате на входе возникнет отрицательное сопро-
тивление.
К полевым триодам, работающим на не-
основных носителях, относятся: деплистор,
сплавной p+-i-n+ триод с переходами на гер-
мании, имеющими почти собственную прово-
димость; триод, по конструкции аналогичный
сплавному (см. рис. 12), с одним переходом
менее высоковольтным, чем другой, и др. Не-
достатки канальных триодов: большое сопро-
тивление насыщения и наличие двух батарей
с высоким напряжением.
Металлооксидные канальные
триоды. Успехи, достигнутые в получении
тонких окисных пленок от нескольких анг-
стрем до микрометра, даЛи возможность скон-
струировать металлооксидный триод. У этого
прибора переход заменен окисным слоем, на
котором размещен металлический управляю-
щий электрод (рис. 27, а).
Расстояние между истоком и стоком при-
мерно 10 мкм, а толщина окисной пленки над
каналом 0,1 мкм. По такому образцу методом
диффузии созданы металлооксидные каналь-
ные триоды МОП с донорной примесью
(МОПТ-р, рис. 27, б) и акцепторной
(МОПТ-п).
В настоящее время получили развитие
электронные приборы — металлооксидные три-
оды с неосновным и основным каналом. В
МОП триоде' с неосновным каналом в кри-
сталле кремния p-типа ведется диффузия до-
нора (фосфора) с одной стороны кристалла
сплошным фронтом, с другой — через «окна»
82
в окисном слое. Две полоски н+-типа (сток и
исток) расположены друг от друга на расстоя-
нии 5—60 мкм. Высокоомная p-область между
Рис. 27. Разрез металлооксидных триодов:
а — полевой триод с изолированным затвором (/ — ‘металличе-
ские контакты катода, сетки и анода, 2 — термически выращен-
ный слой SiO?, 3 — канал, 4 — основной кристалл кремния с
вытравленным «окном» против затвора); б — планарный триод
МОПТ-р (/ — основной кристалл р-типа, 2 — диффузионная об-
ласть л-типа — «тело» канального триода, 3 — диффузионная об-
ласть р-типа — область истока и стока; металлнэованные уча-
стки: 3 — затвор, И — исток, С — сток).
полосками — это область канала, над которой
на окисном слое напылен металлический кон-
такт затвора. Исток включен в прямом, а сток
в обратном направлении. Если на затворе
знак «—» или нуль, через триод течет неболь-
шой ток истока /ои. Положительное смещение
на входе оттесняет дырки от границы S1O2, в
связи с чем образуется тонкий (доли микро-
метра) канал n-типа, шунтирующий запертый
переход.
6*
83
Триоды с неосновным каналом (и с неос-
новными носителями) имеют ценные качества
для переключающих схем. При отсутствии
напряжения на входе ток на выходе почти
равен нулю, /и составляет несколько наноам-
пер. При подаче на вход напряжения U^UP,
где ир — пороговое напряжение, при котором
возникает n-канал, ток истока достигает 10 ма.
Ток истока
/ U, \п
/и == /он ( 1 + -77—) »
\ и р /
где Ug—потенциал заряда; п 2.
В таких триодах СВхс*2 пф, /?вх=аг108 —
10’5 ом, Рвых=1 Мом (при нулевом потенциа-
ле на затворе), /Пер — 10" нсек., а напряжение
Up составляет несколько вольт или долей
вольта, в зависимости от толщины окиси над
каналом, состояния поверхности и проводи-
мости основного кристалла. Высокое входное
сопротивление позволяет собирать на МОП
триодах схемы с непосредственной связью.
Триоды с основным каналом (и основными
носителями) используются в усилительной
технике. В технологии его производства до-
бавляется еще одна операция — диффузия
фосфора в область между стоком и истоком
на глубину в десятые доли микрометра. При
этом в триоде образуется л-канал. Такой при-
бор иногда называют статистором.
Недостатки МОП триодов — значительное
падение напряжения в открытом состоянии и
трудность получения окисных слоев контроли-
руемой толщины. На границе окисел — крем-
84
ний возникает потенциальный барьер, затруд-
няющий расчет этих триодов. Кроме того, рост
окисной пленки вызывает перераспределение
примесей в приповерхностном слое. Так, в вы-
сокоомном кремнии p-типа, легированном бо-
ром (p>60 ом-см), под окисным слоем в ре-
зультате диффузии бора в S1O2 образуется
высокоомный n-слой. В этом случае получить
неосновной канал невозможно. Но для полу-
чения триодов с основным каналом это явле-
ние может быть использовано. Изменяя режим
окисления, можно создавать очень тонкие ка-
налы с удельной проводимостью, близкой к
собственной. Такой высокоомный канал неже-
лателен из-за слишком малых токов на выхо-
де. Проводимость канала может быть повы-
шена соответствующим подбором исходных
концентраций бора и фосфора в специально
выращенном кристалле.
МОП’ы хорошо работают в переключаю-
щих схемах. На них собирают элементы па-
мяти, например, регистры сдвига. Ведутся
разработки МОП’ов на других полупроводни-
ковых материалах.
Тонкопленочные триоды. Для
тонкопленочных схем в настоящее время раз-
рабатываются активные элементы — туннель-
ные триоды, состоящие из нескольких пленоч-
ных слоев с окислом в качестве перехода.
Пролет электронов через диэлектрик осуще-
ствляется, в основном, за счет туннельного
эффекта. Для производства тонкопленочных
триодов могут быть использованы:
1) все известные полупроводники (крем-
ний, германий), а также применяемые в фото-

сопротивлениях и фотоэлементах соединения
CdS, CdTe, ZnS;
2) металлы высокой чистоты, на которых
можно вырастить достаточно прочный одно-
родный окисный слой,— Al, Cd, Та, Ti;
3) любые интерметаллические соединения
(соединения элементов III и V групп, служа-
Рис. 23. Конструкция тонко-
пленочного триода МИМ:
/ — эмиттер (золотая пленка); 2 —
эмиттерный переход в виде слоя
изолятора (окиси алюминия) тол-
щиной 20 А0; 3 — металлическая
база (алюминиевая пленка); 4 —
коллектор—кристалл С ds или Ge.
щих донорами и акцепторами в германии и
кремнии) — GaAs, InSb, InP, GaSb, AlSb
и др.
В настоящее время изучаются структуры
Та — Та2О5 — Al, Al — А12О2 — Al - Ge, Al —
А120з — Al — SiO — Al (туннельный триод) и
др. По характеру слоев такие структуры на-
зывают МИМ (металл — изолятор — металл)
или ПМП (полупроводник—металл — полу-
проводник). Иногда структуры не имеют на-
звания, например пятислойная структура трио-
да А1—А12О3—А1—А120з—А1, в которой алю-
86
миний толщиной в десятую долю микрометра
служит базовым слоем.
Одним из первых тонкопленочных триодов
был усилитель МИМ (рис. 28). Полупроводни-
ковой основой в нем служит CdS. Коллектор-
ный переход — это контактный барьер на гра-
нице полупроводник—металл. Эмиттерный
Рис. 29. Конструкция топкопле-
ночного полевого триода ТПТ:
Д, К и С — металлические пленки,
соответственно анод, катод и сетка;
1 — барьерная прослойка из SiO2;
2 — слой CdS\ 3 —г изолирующая
подложка — модульная плата.
переход включает изолирующую прослойку из
окиси алюминия, в которую инжектируются
электроны из золотого контакта. Если элек-
троны обладают достаточно высокой Энергией,
чтобы пройти через барьер, под влиянием по-
ля характер движения их в диэлектрике та-
кой же, как в обедненном носителями слое.
Пролет электронов может иметь и чисто тун-
нельный характер. Чем выше £/э, тем больше
«горячих» электронов достигнут базы. В ПМП,
если толщина слоев не превышает 10 мкм, тео-
ретически рассчитано, что /т=100 Ггц.
Наилучшие характеристики получены у
тонкопленочного канального триода ТПТ
(рис. 29). Длина затвора здесь всего 15 мкм,
87,
а расстояние между истоком и стоком 10 мкм.
Толщина барьерного слоя из окиси кремния
или сернистого кадмия составляет 0,1 мкм, а
самого полупроводника CdS — 0,5 мкм. Триод,
естественно, маломощный, Р— 1 мет. Время
включения /вк=30 нсек, а крутизна S =
= 10 ма/в. ТПТ обладает многими достоин-
ствами МОП триодов.
Рассмотреть все тонкопленочные триоды
здесь невозможно. Для них создается своя
теория, технология, схемные решения. Появ-
ление таких триодов — это шаг вперед в раз-
работке тонкопленочных схем. Ранее эти схе-
мы представляли собой плату с пассивными
пленочными элементами, на которую крепи-
лись объемные активные элементы. Примене-
ние тонкопленочных триодов упрощает техно-
логию и уменьшает объем схемы.
Спейсисторы — это еще один вид по-
левых триодов. Принцип их работы весьма
интересен — модуляция тока в области объем-
ного заряда. Объемный заряд распространен
на участке в несколько десятков микрометров.
Сюда подведен управляющий электрод —
модулятор в виде острия проволоки. Этот то-
чечный контакт дает небольшое выпрямление.
Описанная структура соответствует спейсисто-
ру-триоду.
Регулировать величину тока в объемном
заряде путем изменения напряжения на по-
левом контакте можно с помощью точечного
модулятора (спейсистор-триод), кольцевого
модулятора, когда управляемый ток течет че-
рез точечный переход (филдистор), точечного,
или полоскового, микросплавного модулятора,
88
у которого управляемый ток инжектируется
точечным контактом (спейсистор-тетрод,
рис. 30).
Пока единственным практическим достоин-
ством спейсистора является его температурная
Рис. 30. Конструкция и схема вклю-
чения спейсистора диодной структу-
ры:
/ — эмиттер; 2 — модулятор; 3 — область
объемного заряда перехода.
стабильность. Характеристики его почти не
зависят от температуры, так как процесс уси-
ления происходит в области, где ничтожно
мало по сравнению с концентрацией инжек-
тированных носителей. Кроме того, входная
цепь в спейсисторе может не зависеть от вы-
ходной. Расстояния инжектор — модулятор,
модулятор — граница перехода можно подо-
брать таким образом, что изменение напряже-
ния на выходе не ойажет действия на вход.
Модулятор играет роль экрана, устраняющего
обратную связь.
89
Транзисторы с отрицательным сопротивлением
К приборам с отрицательным сопротивле-
нием при известных условиях можно отнести
почти все рассмотренные нами триоды. Напри-
мер, сплавной триод, имеющий достаточно ши-
рокий высоковольтный переход, в поле кото-
рого может происходить ударная ионизация и
умножение носителей, представляет собой ла-
винный триод — прибор с отрицательным со-
противлением.
При малых токах эмиттера его вольт-ам-
перные характеристики не отличаются от ха-
рактеристик сплавных триодов. Отрицательное
сопротивление появляется на высоких уровнях
инжекции при больших напряжениях на кол-
лекторе. При этом количество носителей и
энергия, которую они приобретают в поле то-
ков и в сильном поле коллекторного перехода,
достаточны, чтобы вызвать лавинное умноже-
ние носителей.
Усиление по току выражается формулой
а = а0М,
где ссо — обычное низкочастотное значение ко-
эффициента передачи тока при малых уровнях
инжекции; М — коэффициент умножения, т. е.
количество новых носителей, ионизированных
одним исходным.
При увеличении напряжения на коллекторе
повышается энергия дырок и их ионизирую-
щая способность. Физически это означает, что
объемный заряд в области коллектора увели-
чивается. По достижении порогового напря-
90
жения 1 (t/nop) Л1=1; дальнейшее увеличение
коэффициента Л1 приведет к тому, что а>1.
Это вызовет лавинный сквозной пробой.
Объемный заряд, достигнув эмиттера, пере-
кроет базу, а прохождение тока через прибор
будет ограничиваться только внешним сопро-
тивлением.
Отрицательное сопротивление возникает в
предпробойный момент после достижения по-
рогового значения Unop, когда заполненный
носителями тока коллекторный переход сни-
жает свое сопротивление и напряжение на
нем падает при растущем коллекторном токе.
Это явление аналогично возникновению отри-
цательного сопротивления в газовом разряде,
например в дуге, за счет увеличения проводи-
мости ионизированного воздуха. Недостатком
лавинного триода является высокое рабочее
напряжение, а преимуществом — хорошие пе-
реключающие свойства, что позволяет продол-
жать конструктивные поиски.
Отрицательное сопротивление у специаль-
ных канальных триодов возникает в момент
отпирания слабо запертого п+-п или р+-р пе-
рехода. Обычный канальный триод, у которо-
го затвор включен в прямом направлении как
эмиттер или изменена полярность стока (двух-
базовый диод),— тоже прибор с отрицатель-
ным сопротивлением.
Если падение потенциала вдоль образца
U&2—^61 (рис. 31) от первой базы 51 ко вто-
рой 52 таково, что потенциал эмиттера Е\ бу-
1 Пороговое напряжение имеет другие названия —
пиковое, переключения или Ua.
91
дет отрицательным по отношению к потен-
циалу толщи полупроводника под ним, то,
естественно, эмиттер будет заперт, несмотря
на положительный знак смещения. Когда на
Рис. 31. Схема включения двухбазового
диода (а) и распределение потенциала в
базе (б).
эмиттер подается сигнал £2, его потенциал
становится положительным относительно по-
лупроводника. Эмиттер «открывается», инжек-
тируя дырки, которые, увеличивая ток между
электродами Э и Б, снижают сопротивление
на этом участке. С повышением тока потен-
циал эмиттера убывает, что соответствует /?Отр.
Наблюдаемая сильная положительная обрат-
ная связь в полупроводниковых приборах, так
92
же как и в лампах, служит необходимым и до
статочным условием для появления отрица-
тельного сопротивления. В транзисторах это
условие конкретизиро-
вано в неравенстве
1.
Аналогично двух-
базовому диоду рабо-
тает опытный много-
электродный прибор
чарджистор. Модуля-
ция тока и экраниров-
ка входа и выхода
чарджистора такие же,
как у спейсистора.
По характеру вольт-
амперной характерис-
тики приборы с отри-
цательным сопротив-
лением делятся на два
типа — N- и S-тип. Ес-
ли в области от началь-
ного до порогового на-
пряжения (t/нач, t/nop)
значению напряжения
U соответствуют три
значения тока: /ь /2,
/з. прибор называется
Рис. 32. Общий вид
вольт-амперных характе-
ристик с отрицательным
сопротивлением:
а — прибор Л/-типа; б — при-
бор S-типа.
прибором Латина, или стабильным в режиме
холостого тока — в открытом контуре (рис.
32, а). Когда в области от /Нач до /1Юр значе-
нию тока соответствуют три значения напря-
жения: Uit U2, то. прибор принадлежит к
S-типу. Такой прибор стабильный или по на-
пряжению, или в режиме короткого замыка-
ния (рис. 32, б).
7—273 S3
Почти все существующие полупроводнико-
вые приборы с отрицательным сопротивле-
нием, а также неполупроводниковые приборы
(газоразрядные труб-
ки) относятся к при-
борам N-типа. К при-
борам S-типа принад-
лежат туннельные
диоды и обычный
Рис. 33. Структура че-
тырехслойного диода (а)
и эквивалентная такому
диоду схема на триодах
(б):
/1 и /3 — эмиттерпые пере-
ходы; J-i — коллекторный за-
пертый переход.
неполупроводниковыи
вакуумный тетрод.
Принцип рабо-
ты п е р е к л ю ч а т е-
л е й. Среди транзи-
сторов с отрицатель-
ным сопротивлением
наиболее широкое рас-
пространение получил
аналог тиратрона—че-
тырехслойный управ-
ляемый переключа-
тель. Для всех управ-
ляемых переключате-
лей общим принципом
работы является гене-
рация носителей у за-
пертого перехода и ин-
жекция носителей с этого перехода, когда ток
базы достигнет критического значения. Этот
«зажигающий» ток аналогичен отпирающему
смещению на сетке тиратрона.
У четырехслойного кремниевого диода
(рис. 33) переход Ji включен в обратном на-
_ правлении и через него течет ток
ко.
94
Но /2 = Л = /3 = /,
следовательно,
> ______
~ 1 — («1+а8) •
При небольших токах в кремниевых тран-
зисторах коэффициент а очень мал. Пока
а) + аз<1, переход I? остается запертым. С
ростом тока увеличивается коэффициент а.
Когда ой 4-аз 1, резкое возрастание тока
приводит к прямому пробою. В этом случае
коллекторный переход смещается в прямом
направлении.
Во многих переключателях переключение
имеет характер умножения лавинного транзи-
стора, т. е.
/2 ~ -р- ctogA'l3/y.
Тогда условие переключения будет
OoiA^i + «о/43 > 1.
Умножение тем заметней, чем ближе зна-
чение иаер к значению Uap06. Если £/Пер<С
^проб, ТО М Л/ I.
Сильная зависимость коэффициента пере-
дачи тока всех кремниевых триодов от тока
позволяет на любой их паре построить пере-
ключатель, аналогичный четырехслойному.
Для германиевых триодов построить такую
систему гораздо сложнее. Поэтому все р-п-р-п
структуры выполняются в настоящее время из
кремния.
На рис. 34 представлена типичная вольт-
амперная характеристика р-п-р-п структуры.
Если эмиттерные переходы низковольтные, пе-
95
реключатель практически может работать
только при прямом смещении на эмиттерных
слоях. Когда в процессе переключения боль-
шую роль играет лавинное умножение тока
Рис. 34. Вольт-амперная характе-
ристика четырехслойного диода:
1 — высоковольтные эмиттерные перехо-
ды; 2 — низковольтные эмиттерные пе-
реходы; 3 — участок слабого отрица-
тельного сопротивления.
носителей, а не только сложение аш+аоз,
вольт-амперная характеристика имеет «по-
лочку» небольшого отрицательного сопротив-
ления (кривая 5).
Ключевыми параметрами первостепенной
важности являются: сопротивление переклю-
чения в запертом состоянии /?зап и состоянии
проводимости /?Отк, которое определяет на при-
боре остаточное напряжение U0CT-, [/цср и /пер,
соответствующие переходу в область /?отк, а
также /В|11К — минимальный ток, соответству-
ющий режиму стабильного состояния прово-
димости.
При /</вык переключатель запирается.
96
Величина /Макс используется при расчете
Рмакс. Иногда для повышения чувствитель-
ности переключателя его держат в «ждущем»
(/=/=0, a U=0,5 (7Пер. В
режиме, т. е. когда
этом случае отпи-
рающий сигнал мо-
жет быть вдвое
меньше напряжения
переключения.
В управляемом
переключателе на-
пряжение переклю-
чения зависит от
тока базы. Этот
ток, складываясь с
общим током 7, уве-
личивает а и сни-
жает t/пер- Базовый
ток, переводящий
Рис. 35. Вольт-амперная ха-
рактеристика управляемого
переключателя /бЗ>/б2>
>/б!
переход 7г в состояние проводимости, назы-
вается током зажигания /эаж (рис. 35).
Переключатель с тремя выводами можно
рассматривать как четырехслойный триод
(рис. 36). Если цепь левого перехода разомк-
нута, справа остается п-р-п триод, включен-
ный по схеме с общим коллектором, но без
базового вывода. Так же, как и в любом дио-
де, ток, проходящий через электрод 7, равен
току всей структуры. В такой схеме с общим
коллектором коэффициент передачи тока оп-
ределяется из выражения
Д/э2 Л/ 1 |
<12>
-
97
При подаче напряжения на переход Л дыр-
ки из p-области поступают в «-область. Отту-
да часть дырок вытягивается переходом J-г, а
Рис. 36. Управляемый переклю-
чатель:
а — схема включения; б — эквива-
лентная переключателю схема на
триодах.
часть уходит на электрод 2. Это соответствует
работе р-п-р триода с обшей базой. Для сов-
мещения обоих триодов в один четырехслой-
ный транзистор их нужно подключить друг к
другу по схеме, указанной на рис. 36, б. Ток
перехода /1 эмиттерный как для р-п-р триода,
так и для'всей структуры. Таким образом, для
р-п-р-п структуры коэффициент передачи тока
/1Я\
&общ — Л/ ’
93
где Д/эг — изменение эмиттерного тока п-р-п
структуры, равное изменению коллекторного
тока р-п-р и всей р-п-р-п структуры; ЛЛ>1 — из-
менение эмиттерного тока.
Подставив выражение (12) в равенство
(13), получим
_ 021—аа
аоб1Ц - Д41 - д/91 .
Так как /б2=/1:1, то
_ Д7к1 1 _ 1
«общ - д/>1 — - «11^-
В триодном включении четырехслойного
транзистора коэффициенты передачи тока
двух триодов не складываются арифметиче-
ски. Однако общий коэффициент передачи то-
ка может быть значительно больше единицы.
Частотные свойства четырехслойного пере-
ключателя пока оставляют желать лучшего.
Такие переключатели используют как мощные
приборы, работающие на больших токах в не-
сколько сот ампер, что приводит к большому
накоплению носителей в базе. Поэтому время
переключения их составляет несколько микро-
секунд. Новые модели этих приборов на сред-
них мощностях имеют рабочие частоты до
10 Мгц.
Переходы в четырехслойном переключате-
ле могут быть получены различными техноло-
гическими приемами: диффузией, сплавлением,
эпитаксией. Это обусловливает различие кон-
струкций таких приборов.
99
К переключателям относятся переключаю-
щий диод, управляемый переключатель, или
тиристор, трипистор, динистор, p-n-i-p пере-
ключатель, бинистор, пятислойный управляе-
мый выпрямитель и др. Так как в основном
все это кремниевые приборы, за ними закре-
пилось общее название кремниевый управляе-
мый вентиль (КУБ).
Управляемый переключатель
изготовляется из кремния и представляет со-
бой сильноточный, высоковольтный прибор.
Эквивалентная схема его (два соединенных
триода) приведена на рис. 36.
Усовершенствованной конструкцией этого
прибора является пятислойный переключатель,
предназначенный для переключения токов до
100 а. Пробивное напряжение его около 400 в.
Опытные пятислойные переключатели имеют
симметричные вольт-амперные характеристики
с отрицательным сопротивлением в прямом и
обратном включении.
Т ринистор ничем, за исключением кон-
струкции выводов, не отличается от управ-
ляемого переключателя. Как правило, трини-
стор имеет кольцевой эмиттер, обеспечиваю-
щий равномерную плотность тока. Тринистор
может быть выполнен по типу мезатриола.
Современный тринистор, получаемый эпитак-
сиальной технологией, пропускает токи 150 а.
Рабочее напряжение его 600 в.
Бинистор. Принцип действия его, струк-
тура и эквивалентное соединение триодов та-
кие же, как у управляемого переключателя.
Запирается бинистор отрицательным смеще-
нием на эмиттере. Так как прибор имеет кол-
100
лекторный вывод, выходной ток снимается с
внутреннего слоя коллектора. Диапазон час-
тот — от 10 кгц до 10 Мгц.
Маломощные р-п-р-п переключатели могут
быть использованы как элементы цепей с дву-
мя устойчивыми состояниями, элементы па-
мяти, кольцевые счетчики, а также в переклю-
чающих и ключевых схемах. Мощные приборы
можно применять вместо газонаполненных ти-
ратронов. Они имеют улучшенные по сравне-
нию с лампами свойства: малые падения на-
пряжения в проводящем состоянии, высокие
скорости переключения, большие пиковые токи
и отсутствие накала. Это открывает широкие
возможности для принципиально нового их
применения.
В связи с новым направлением в радио-
электронике — микроминиатюризацией схем в
целом и схемных элементов в частности, а
также с переходом на малые мощности в вы-
числительных устройствах все существующие
типы приборов оцениваются сейчас с точки
зрения их пригодности в твердых и тонкопле-
ночных схемах. На первый план выдвигаются
требования простоты технологии, воспроизво-
димости параметров триодов, их надежности
и универсальности, а также возможности
объединения в одном приборе функций схем-
ного узла.
Большой интерес вызывают канальные
триоды, предназначенные для схем с непо-
средственной связью. Не менее интересны и
планарные приборы,, у которых на окисном
слое может быть выполнена тонкопленочная
схема. Четырехслойные переключатели .как
. 101.
приборы с отрицательным сопротивлением
представляют один из основных классов сов-
ременных приборов. В настоящее время инже-
неры стремятся конструировать схемные узлы
в одном приборе, разрабатывают двухэмиттер-
ные и двухколлекторные устройства (послед-
ние работают как сумматоры). Возможно, что
через несколько лет на смену единичным трио-
дам придут интегральные устройства, основан-
ные на различных принципах работы и имею-
щие различную технологию. Сейчас можно с
уверенностью сказать, что без компактных
программных устройств, работающих на по-
лупроводниках, немыслимо завоевание космо-
са, нельзя экономично осуществлять автома-
тизацию производственных процессов, невоз-
можно создать искусственный мозг — «мозг-
справочник».
В развитии электронной техники большое
значение имеет решение вопросов, связанных
с уменьшением веса и занимаемых приборами
площадей, а также со снижением потребляе-
мой ими мощности. Но это еще не все. Самое
главное — это обеспечение надежности и дол-
говечности работы полупроводниковых прибо-
ров. Универсальные интегральные узлы, сде-
ланные в одном кристалле, являются теми
«кирпичиками», из которых можно собрать
любую сложную машину. И в схеме мощного
усилительного каскада, и в высокочастотной
переключающей схеме за основу можно взять
одни и те же триоды и тетроды. Это значи-
тельно удешевит технологию изготовления
электронной аппаратуры, даст возможность
быстро заменять отдельные приборы.
102
Мы назвали несколько перспективных на-
правлений развития полупроводниковой элек-
троники. Но возможно, что с развитием хи-
мии, электронно-лучевой и ядерной техники
будут найдены принципиально новые решения
для конструирования полупроводниковых ми-
кроминиатюрных приборов. Новое не заставит
себя ждать. Будущее за нашими друзьями —
малютками ПТ!
ЛИТЕРАТУРА
Б о л т а к с Б. И. Диффузия в полупроводниках.
Физматгиз. М., 1961.
Полупроводниковые приборы и их применение. Сб.
под ред. Я. А. Федотова. «Советское радио». М., 1950—
1964.
Полупроводниковые приборы с отрицательным со-
противлением. Сб. под ред. С. А. Горяйнова. Госэнерго.
изд ат. М.» 1962.
Производство полупроводниковых приборов. Пере-
вод с англ, под ред. Г. Д. Глебова. Оборонгиз, 1962.
Федотов Я. А., Ш м а р ц е в IO. В. Транзисторы
«Советское радио». М., 1960.
Федотов Я. А. Основы физики полупроводнико-
вых приборов. «Советское радио». М., 1963.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
В и В* — коэффициент передачи соответственно
тока базы и тока коллектора;
#нас коэффициент передачи тока базы в
режиме насыщения;
Оп и D — коэффициент диффузии соответствен-
но электронов и дырок, см2/сек\
D6 — коэффициент диффузии носителей в
базе;
Екин —средняя кинетическая энергия элек-
трона;
д£ — ширина запрещенной зоны, эз;
е —основание натуральных логарифмов
2,71828.,.);
fa н /fl — предельная частота усиления соответ-
ственно по коэффициенту передачи то-
ка и по эффективности переноса;
макс — максимальная частота генерации;
ft — полоса частот;
О —градиент концентрации примесей (G=*
dN\
dx / *
/5 / ко, /у, /6— ток соответственно насыщения, обрат-
ный ток коллектора, ток утечки и ге-
нерации;
/э й /к— ток соответственно эмиттера и коллек-
тора;
/р—ток диффузии;
— ток насыщения коллектора;
К — коэффициент усиления по мощности;
k — постоянная Больцмана (k =1,38 X
X 10“й дж)град)\
Ln и —диффузионная длина смещения соот-
ветственно электронов и дырок в р-
и л-слое, см\
Л'р и —концентрация соответственно доноров
и акцепторов, смг*\
104
Пп и пр — концентрация электронов соответ-
ственно в п- и p-слое, слг-3;
Ршкс—предельная мощность рассеяния;
Рп и Рр— концентрация дырок соответственно в
л- н p-слое, см~^\
q— заряд электрона (7= 1,60 • 10~19), k\
₽наг — внешнее сопротивление, сопротивле-
ние нагрузки;
/?рас— распределенное сопротивление;
гвх»гэ»гнаси ^-сопротивление соответственно входа,
эмиттерного перехода, насыщения и
объемное базы;
Sn — площадь перехода;
5К — площадь коллекторного перехода;
Т — температура, СК;
/пер — время переключения;
^пр — время пролета неосновного носителя
от эмиттера к коллектору;
Zj — время формирования переднего фрон-
та импульса;
и — время соответственно задержки и на-
растания тока;
fn— длительность импульса до запирания
эмиттера;
/р и /ф — время соответственно восстановления
(рассасывания) и формирования
фронта;
^вк и ^вык — время соответственно включения и вы-
ключения;
U3 и UH — напряжение соответственно на эмит-
тере и коллекторе;
РДР дрейфовая скорость носителей, см/сек;
идиф — скорость диффузии носителей, см/сек-,
w — ширина базы;
105
a — коэффициент передачи тока эмиттера,
коэффициент усиления по току;
а0 — коэффициент передачи тока на низких
частотах;
а' — коэффициент эффективности коллекто-
ра;
(3 — эффективность переноса;
у— эффективность эмиттера;
и —подвижность соответственно электро-
нов и дырок, см/в • сек;
Рэ- Qk и — удельное сопротивление, соответствен-
но эмиттерной, коллекторной и базо-
вой областей, ом см ;
— время жизни электронов (неосновных
носителей в p-слое), сек;
тр— время жизни дырок (неосновных но-
сителей в n-слое), сек;
ф — контактная разность потенциалов.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие..................................3
Физические основы работы транзисторов ... 7
Структура и принцип действия плоскостного
триода................................. 7
Коэффициент передачи тока...............17
Распределение объемного заряда .... 21
Основные требования, предъявляемые к ПТ при
различных режимах работы................25
Типы транзисторов...............................42
Транзисторы, работающие на неосновных носи-
телях ..................................42
Транзисторы, работающие на основных носите-
лях ....................................73
Транзисторы с отрицательным сопротивлением 90
Литература.....................................103
Основные условные обозначения . , , , , ,104
МАРКОВА
ВАЛЕНТИНА НИКОЛАЕВНА
ГОЖЕНКО
НОННА АНАТОЛЬЕВНА
МАЛЮТКИ ПТ
Второе издание
Печатается по решению Редак-
ционной коллегии научно-попу-
лярной литературы Академии
наук Украинской ССР
Редактор Н.М. Титова
Обложка художника Р. И. Калыша
Художественный редактор
В. П. Кузь
Технический редактор Б. А. Пиков-
ская
Корректор Г. М. Столярчук________
БФ 03319. Зак. № 273. Изд. № 207.
Тираж 70 000. Бумага № 2, ТОхЭО’/зз-
Печатн. листов 3.375+1 вкл. Ус-
лозн. печ. листов 4,0. Учетно-изд.
листов 3,85. Подписано к печати
8.6 1967 р. Цена 12 кол.
Издательство «Наукова думка»,
Киев, Репина, 3.
Киевская книжная типография № 5
Комитета по печати при Совете Ми-
нистров УССР, Киев, Репина, 4.
Цена 12 коп.