Основные типы биполярных транзисторов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Следует различать два вида биполярных транзисторов: дрейфовые, в которых перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется главным образом посредством дрейфа, т. е. под действием ускоряющего электрического поля, и бездрейфовые, в которых такой перенос осуществляется главным образом посредством диффузии. Не следует бездрейфовые транзисторы называть диффузионными, так как термин «диффузионный» должен указывать не на характер движения носителей, а на технологию создания n – р-переходов методом диффузии.

Надо отметить, что в бездрейфовых транзисторах при большой инжекции со стороны эмиттера в базе возникает электрическое поле, и поэтому движение носителей в ней не будет чисто диффузионным. А в базе дрейфовых транзисторов, хотя дрейф и является основным видом движения носителей, происходит также и диффузия носителей.

Бездрейфовые транзисторы имеют во всей базовой области одну и ту же концентрацию Примеси. Вследствие этого в базе не возникает электрического поля и носители в ней совершают диффузионное движение от эмиттера к коллектору. Скорость такого движения меньше скорости дрейфа носителей в ускоряющем поле. Следовательно, бездрейфовые транзисторы предназначены для более низких частот, нежели дрейфовые.

В дрейфовых транзисторах электрическое поле в базе ускоряет неосновные носители при их движении к коллектору, поэтому повышается предельная частота и коэффициент усиления тока. Электрическое поле в базе создается за счет неодинаковой концентрации примесей базовой области, что может быть достигнуто при диффузионном методе изготовления n –р-переходов. Транзисторы, изготовленные таким методом, называются диффузионными. Возникновение электрического поля в базе этих транзисторов объясняется следующим образом. Пусть, например, в базе имеются донорные примеси для создания электропроводности n-типа. Если концентрация этих примесей вблизи эмиттерного перехода больше, нежели вблизи коллекторного перехода, то соответственно получится неодинаковая концентрация основных носителей в базе, в данном случае концентрация электронов. Около эмиттерного перехода она будет больше. За счет этой разности часть электронов переместится туда, где их концентрация меньше, т. е. к коллекторному переходу (рисунок 6.16). В базе возникает разность потенциалов («минус» ближе к коллектору, «плюс» – к эмиттеру) и электрическое поле, которое тормозит основные носители, т. е. препятствует дальнейшему смещению электронов. В равновесном состоянии разность потенциалов своим действием на основные носители уравновешивает действие разности концентраций и в базе устанавливается электрическое поле, ускоряющее неосновные носители (дырки), инжектированные из эмиттера.

Рисунок 6.16 – Принцип устройства дрейфового транзистора

Рассмотрим теперь основные типы транзисторов, различающиеся по конструкции и принципу изготовления переходов.

Бездрейфовые транзисторы могут иметь сплавные переходы, полученные по такой же технологии, как у диодов. Эти транзисторы принято называть сплавными. Принцип их устройства показан на рисунок 6.17. В основную пластинку полупроводника с двух сторон вплавляются примеси, образующие эмиттерную и коллекторную область. Так как на коллекторном переходе рассеивается большая мощность, то он обычно имеет значительно большие размеры, чем эмиттерный переход. Однако могут быть изготовлены и симметричные сплавные транзисторы, у которых оба перехода одинаковы.

К эмиттеру и коллектору припаиваются выводы в виде проводничков, а вывод базы часто имеет форму кольца – для уменьшения поперечного сопротивления базы. Транзистор помещается в металлический герметический корпус, через который проходят в стеклянных изоляторах выводные проводники. Во многих транзисторах один из выводов (базы или коллектора) соединен с корпусом.

Рисунок 6.17 – Принцип устройства сплавного транзистора

В сплавных транзисторах невозможно сделать очень тонкую базу, и поэтому они предназначены только для низких и средних частот. При создании методом вплавления более тонкой базы ее толщина получается неодинаковой в разных местах и во избежание эффекта смыкания переходов приходится уменьшать напряжение коллекторного перехода, что снижает предельную мощность транзистора.

Мощные сплавные транзисторы имеют увеличенную площадь переходов, которые изготовляются в форме полос или колец. Для лучшего охлаждения коллектор припаивается к корпусу, основание которого делается в виде более массивной медной пластинки.

Сплавные транзисторы выпускаются на мощности от нескольких милливатт до десятков ватт. Их достоинство в том, что на коллекторном и эмиттерном переходе можно допустить обратное напряжение 50 – 70 В для германия и 70–150 В для кремния. Сравнительно малые сопротивления эмиттера базы и коллектора позволяют получать в сплавных транзисторах большие токи в импульсном режиме. Однако предельную частоту f_a практически не удается сделать выше 20 МГц. Недостатком сплавных транзисторов является также значительный разброс параметров и характеристик.

Дрейфовые транзисторы делаются на предельные частоты, в десятки раз более высокие, нежели у сплавных транзисторов. Это объясняется, прежде всего, уменьшением времени пробега носителей в базе. Как правило, при изготовлении дрейфовых транзисторов применяется метод диффузии, при котором база может быть сделана очень тонкой. Коллекторный переход получается плавным, и тогда его емкость гораздо меньше, чем емкость сплавных переходов. За счет малой толщины базы коэффициенты усиления а и р значительно выше, чем у сплавных транзисторов. Важно также, что метод диффузии позволяет изготовлять транзисторы более точно, с меньшим разбросом параметров и характеристик.

Сплавно-диффузионные транзисторы (или диффузионно-сплавные) отличаются тем, что у них базовая область и коллекторный переход изготовлены методом диффузии, а эмиттерный переход– методом вплавления. Многие наши транзисторы изготовлены именно таким методом. На рисунке 6.18, а для примера показан один из вариантов устройства сплавно-диффузионных германиевых транзисторов р –n– р-типа. В пластине германия с электропроводностью р-типа, являющейся коллектором, сделана лунка, в которой методом диффузии донорной примеси, например сурьмы, создан тонкий слой базы. Он образует коллекторный переход. Эмиттерная область р-типа создается вплавлением в базовый слой капли сплава, содержащего акцепторную примесь, например индий. Вывод от базы осуществляется вплавлением капли сплава, содержащего сурьму. В рассмотренной конструкции обычно с корпусом соединяется коллектор. Аналогично могут изготовляться германиевые транзисторы типа n–р –n, а также кремниевые транзисторы. Сплавно-диффузионные транзисторы имеют рабочие частоты до сотен мегагерц, но рассчитаны на небольшие мощности (100-150 мВт). Эмиттерный переход в них получается малой толщины, и поэтому может выдерживать только низкие обратные напряжения.

Конверсионные транзисторы интересны тем, что в них может быть получен тонкий базовый слой большой площади, необходимый для изготовления более мощных высокочастотных транзисторов. В конверсионных транзисторах диффузионный эмиттерный переход образуется за счет обратной диффузии примеси из полупроводника в металл эмиттерного электрода. Для этой цели служит пластинка германия (исходный материал), содержащая одновременно донорные и акцепторные примеси. В качестве последней применяется медь, которая при вплавлении эмиттерного сплава энергично диффундирует из германия в эмиттер. Благодаря этому в слое германия, прилегающем к эмиттеру, резко снижается концентрация акцепторной примеси и образуется слой базы с электронной электропроводностью. Такой процесс перемены типа электропроводности называют конверсией.

Рисунок 6.18 – Принцип устройства сплавно-диффузионного транзистора (а) и мезатранзистора (б)

Транзисторы конверсионного типа имеют малую емкость С_к и могут работать при относительно высоких напряжениях коллекторного перехода. Эти транзисторы обладают хорошей стабильностью и малым разбросом параметров, а также удобны в производстве. Их недостаток – низкое максимальное допустимое обратное напряжение эмиттерного перехода.

В мезатранзисторах применяется мезаструктура, принцип получения которой был уже рассмотрен применительно к диодам (§ 3.8). Такие транзисторы изготовляются сразу в большом количестве из одной пластины исходного полупроводника, что уменьшает разброс параметров. На поверхности этой пластины, которая должна служить коллектором, методом диффузии создают слой базы толщиной в несколько микрометров. Для каждого транзистора в этот слой вплавляют маленькие капли сплавов для образования эмиттерной области и вывода от базы. Далее производят травление поверхности пластинки, защищая с помощью специальной маски только небольшие участки около базы и эмиттера. После того как травлением снят значительный слой основной пластины, ее разрезают на отдельные транзисторы. Структура полученного транзистора схематически изображена на рисунке 6.18, б. Для примера показан германиевый транзистор типа р– n– р.

Мезатранзисторы имеют малые емкости переходов (С_к менее 2 пФ), малое сопротивление г₆ и могут работать на частотах до сотен мегагерц. Удобно и то, что от коллектора осуществляется хороший теплоотвод, так как он имеет выводной контакт сравнительно большой площади.

Наилучшими из диффузионных являются так называемые планарные транзисторы. У них n-p-переходы образуются диффузией примесей сквозь отверстие в защитном слое, нанесенном на поверхность полупроводника. При этом выводы от всех областей располагаются в одной плоскости. Название «планарный» дано именно от английского слова planar – плоский. Для изготовления этих транзисторов особенно удобно применять кремний, так как оксидная пленка на его поверхности может служить хорошим защитным слоем. Исходная пластинка кремния с пленкой оксида образует коллекторную область. В том месте, где должна быть базовая область, оксидная пленка снимается травлением и создается методом диффузии базовый слой. Затем всю поверхность снова окисляют и повторяют процесс травления и диффузии для создания эмиттерной области, которая располагается в средней части базовой. После этого через маску наносятся выводы в виде металлических слоев. Структура планарного транзистора показана на рисунке 6.19. Планарные транзисторы обладают хорошими качествами и получили большое распространение. Они удобны в производстве и могут быть изготовлены на различные мощности с высокими предельными частотами. Транзисторные и диодные элементы микроэлектронных схем, как правило, изготавливаются по планарной технологии.

Рисунок 6.19 – Принцип устройства планарного транзистора

Планарно-эпитаксиальные транзисторы являются дальнейшим развитием планарных транзисторов. У обычных планарных транзисторов велико сопротивление коллекторной области, что невыгодно. Например, при импульсной работе в режиме насыщения у транзистора большое сопротивление насыщения R_н_ac. Если уменьшить удельное сопротивление материала коллектора, то возрастает емкость С_к и снижается пробивное напряжение коллекторного перехода. Эти недостатки устраняются в эпитаксиальных транзисторах, в которых между базой и низкоомным коллектором введен слой с более высоким сопротивлением. При изготовлении таких транзисторов коллекторная пластинка полупроводника, например, с электронной электропроводностью имеет малое удельное сопротивление. На нее наращивается пленка такого же полупроводника, но с высоким сопротивлением, а затем планарным методом создаются области базы и эмиттера (рисунок 6.20).

Процесс получения на полупроводниковой пластине слоя, сохраняющего структуру пластины, но имеющего иную удельную проводимость, называют эпитаксиалъным наращиванием. Полученная структура, которую обозначают n⁺ – n, входит в состав коллектора. Знак «+» указывает на область с более высокой концентрацией примеси, т. е. с более высокой удельной проводимостью.

Рисунок 6.20 – Принцип устройства планарно-эпитаксиального транзистора

В рассмотренном транзисторе при малом сопротивлении коллектора получается малая емкость С_к и большое напряжение U_к-б_max. Эпитаксиальная технология широко применяется при изготовлении микроэлектронных схем.

Существует ряд других, особых типов транзисторов, которые пока еще не получили достаточно широкого распространения. К ним, например, относятся транзисторы типа p – n – i – p, имеющие в базе кроме низкоомного слоя n-типа, от которого сделан вывод, еще дополнительный, более высокоомный слой i-типа. За счет низкоомного слоя базы уменьшается сопротивление r_б, а за счет высокоомного слоя снижается емкость С_к и повышается U_к-б_max_. Аналогичными свойствами обладают транзисторы n – p– i – n.

Особый интерес представляют лавинные транзисторы, работающие в режиме лавинного размножения носителей, т. е. при напряжении U_к-б, превышающем допустимое для нормальной работы в режиме усиления. При некоторых условиях лавинные транзисторы имеют отрицательное выходное сопротивление и a > 1. Это позволяет применять их в импульсных устройствах для генерации коротких импульсов и переключения.

У обычных транзисторов предельное напряжение коллектор – база составляет десятки вольт. Специальные высоковольтные транзисторы имеют более сложную структуру коллекторного перехода, и предельное напряжение доходит у них до нескольких сотен вольт. Импульсное предельное напряжение может достигать 1,5 кВ.

Мощные транзисторы работают при больших токах – единицах и десятках ампер. При этом может наблюдаться нежелательное явление «вытеснения» тока. Оно объясняется тем, что ток базы, протекая к выводу базы вдоль эмиттерного перехода, создает на поперечном сопротивлении базы некоторое падение напряжения. За счет этого в центре эмиттерного перехода напряжение уменьшается, а на краях эмиттерной области, наоборот, увеличивается. В результате инжекция и ток в центральной части эмиттера меньше, а на краях эмиттера больше. Таким образом, площадь эмиттерного перехода используется неравномерно и может возникнуть перегрев краев эмиттера.

Для уменьшения сопротивления базы и вредного эффекта «вытеснения» тока к краям эмиттера в мощных транзисторах создают электроды особой конфигурации, при которой эмиттерная область состоит из нескольких участков. Каждый участок имеет небольшую площадь перехода, а суммарная площадь эмиттерного перехода получается такой, какая необходима для протекания большого эмиттерного тока. Существует несколько вариантов этих транзисторов. Чаще всего встречается гребенчатая конструкция, в которой эмиттерная область имеет форму гребенки, а контакты эмиттера и базы чередуются друг с другом (рисунок 6.21, а). Другой вариант – многоэмиттерная конструкция (рисунок 6.21, б), в которой используется ряд отдельных эмиттеров в виде полосок (они могут иметь также форму квадратов или кругов). Все эти эмиттеры соединены параллельно металлическим контактным слоем, нанесенным поверх слоя защитной оксидной пленки. Иногда мощный транзистор представляет собой несколько параллельно соединенных транзисторов, каждый из которых сделан многоэмиттерным. В конструкции мощных транзисторов предусматривается хороший теплоотвод. Выпускаются транзисторы мощностью в десятки и даже сотни ватт.

Рисунок 6.21 – Конфигурация электродов мощных СВЧ-транзисторов: а–гребенчатая; б – многоэмиттерная

1 – вывод базы; 2– эмиттерная область;

3– вывод эмиттера

Применение транзисторов для усиления колебаний СВЧ весьма желательно, так как по сравнению с другими полупроводниковыми и электровакуумными усилительными приборами они имеют меньший уровень собственных шумов, более высокий КПД и низкое напряжение питания. Однако изготовление СВЧ-транзисторов представляет значительные технологические трудности. В настоящее время разработаны как маломощные, так и мощные биполярные транзисторы из германия, кремния или арсенида галлия для частот в единицы и даже десятки гигагерц. Наилучшие результаты дает изготовление подобных транзисторов по планарной технологии. В частности, так изготовляются кремниевые СВЧ-транзисторы типа n – р – n. Мощные СВЧ-транзисторы могут работать при мощности в импульсе до 100 Вт на частоте до 1 ГГц и 5-10 Вт на частоте 4-5 ГГц и выше. Транзисторы малой мощности имеют очень малые размеры. Например, на кремниевой пластинке диаметром 40 мм формируется 8000 транзисторов размером 0,4x0,4 мм. Подобные транзисторы делаются обычно бескорпусными, и их часто применяют в микросхемах. Важное значение для работы транзистора на СВЧ имеет конструкция корпуса и выводов, обеспечивающая минимальное влияние паразитных емкостей и индуктивностей. Применяются, в частности, корпуса с полосковыми, а для более высоких частот – с коаксиальными выводами.

Транзисторы оформляют в герметичных корпусах различной конструкции (металлостеклянные, металлокерамические и пластмассовые). Некоторые маломощные транзисторы делают бескорпусными и герметизируют защитными слоями лака и эпоксидной смолы. У транзисторов повышенной мощности с корпусом, как правило, соединяется коллектор, а сам корпус привинчивается к шасси аппаратуры, что улучшает теплоотвод.

Помимо одиночных транзисторов промышленность выпускает так называемые транзисторные сборки, т. е. находящиеся в одном корпусе два или четыре транзистора с самостоятельными выводами. Эти сборки применяются главным образом для переключательных схем.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 633; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!