Полупроводники (стр. 4 из 5)
За время импульса тока в областях коллектора и базы накапливается заряд. Чтобы транзистор вернулся в свое закрытое состояние большого напряжения, накопленный заряд должен рассеяться. Для ускорения такого процесса вводят центры рекомбинации – обычно атомы золота в небольшом количестве, – которые облегчают рекомбинацию избыточных электронов и дырок. В правильно спроектированном транзисторе могут быть достигнуты времена переключения в закрытое состояние порядка нескольких наносекунд. Такое быстродействие открывает широкие возможности применения транзисторов для цифрового переключения.
Тиристоры. Для схем с очень высокими напряжениями и очень большими токами созданы полупроводниковые приборы, называемые тиристорами. Один тиристор может работать при напряжениях до 4000 В и токах до 4000 А. В преобразователях тиристоры соединяют в каскады, рассчитанные на четверть миллиона вольт и более.
Тиристор состоит из двух транзисторов (npnиpnp), расположенных так, что коллекторpnp-части тиристора является базойnpn-части, а коллекторnpn-части – базойpnp-части. Если инжектировать небольшой ток в базуnpn-части, то он создаст для эмиттера прямое смещение, и возникнет ток эмиттера. Этот ток, собранный коллекторомnpn-части, становится током базыpnp-части, который вызывает появление тока эмиттера этой части. Такой процесс будет повторяться до тех пор, пока вокруг общего коллекторного перехода не соберется заряд, достаточный для нейтрализации связанного заряда, и тогда напряжение на нем понизится до уровня ~0,7 В, соответствующего насыщению. Так происходит "включение" тиристора. "Выключается" же он при понижении тока ниже некоторого порогового уровня, называемого удерживающим током. Если сделать площадь эмиттера достаточно большой, то легко можно переключать колоссальные токи.
Тиристоры пропускают ток только в одном периоде переменного тока; лишь с изобретением симистора появился настоящий полупроводниковый переключатель переменного тока для регуляторов электродвигателей, регуляторов освещенности и других устройств. Симистор состоит из двух выполненных на одной кремниевой пластинке тиристоров, включенных параллельно, но противоположно. Один из тиристоров пропускает ток в одном полупериоде, а другой – в следующем. Для включения симистора предусматривается управляющий электрод. Чтобы выключить его, нужно прервать ток. Интересной особенностью симисторов является то, что они проводят ток любого направления и могут переключаться либо положительным, либо отрицательным управляющим сигналом.
Фототранзистор.Когда на транзистор падает свет достаточно большой энергии, т.е. с достаточно малой длиной волны, в нем освобождаются электронно-дырочные пары. В нормальных условиях они рекомбинируют и исчезают. Но, если пары возникают вблизи p-n-перехода с напряжением обратного смещения, они могут диффундировать в область перехода. Один из носителей может быть ускорен напряжением, имеющимся на переходе, и тогда он приобретает способность освобождать дополнительные заряды в процессах столкновения. В материалеn-типа ускоряется дырка, в материалеp-типа – электрон. Поскольку заряды несут ток через переход, он возникает и во внешней цепи, т.е. свет преобразуется в электрический ток.
5.4 Полевой МОП-транзистор
Полевые транзисторы.Еще в 1930 Лилиенфельд делал попытки управлять проводимостью поверхностного слоя в полупроводниковом материале. В 1948 Шокли и Пирсон сообщили в печати об управлении токами за счет поверхностного полевого эффекта. Но лишь в начале 1960-х годов появился практически пригодный МОП-транзистор (металл – оксид – полупроводник). В отличие от биполярного кремниевого транзистора, МОП-транзистор является униполярным, т.е. его действие основано на управлении основными носителями.
Для изготовления МОП-транзисторов используется высокоомный кремний p- или n-типа. В кремнииp-типа методом диффузии создаются две сильно легированные близлежащие областиn-типа. Одна из них, называемая истоком, является входной. Другая – сток – служит выходом. Над узкой промежуточной областью наращивается тонкий изолирующий слой (толщиной 200 нм и менее) диоксида кремния. На него наносят слой металла или кремния, который служит управляющим электродом (рис. 7). Такое устройство и называется полевым транзистором со структурой металл – оксид –полупроводник (МОП-транзистором). При подаче на управляющий электрод положительного напряжения возникает сильное электрическое поле, которое притягивает электроны к поверхности кремния, и образуется проводящий каналn-типа, соединяющий исток со стоком. Режим с положительным напряжением называется режимом обогащения. Можно изготавливать приборы, открытые в отсутствие внешнего напряжения. Отрицательное напряжение в них сужает канал и повышает его сопротивление; такой режим называется режимом обеднения. Изготавливаются также транзисторы с каналомp-типа.
Рис. 7. Полевой транзистор. Управление током осуществляется посредством затворов. Такие транзисторы, изготовленные МОП-методом (слева) или методом диффузии (справа), являются униполярными, т.е. в них активную роль играют носители только одного типа.
Полевые МОП-транзисторы с электронами в качестве носителей называются n-МОП-транзисторами (а те, в которых носителями служат дырки, называются p-МОП-транзисторами). В n-МОП-транзисторе имеются две области n-типа, сформированные в подложке из кремния p-типа. Затвор – это электрод, изолированный от полупроводника тонким слоем диоксида кремния. В транзисторе, работающем в режиме обогащения, положительный потенциал, под которым находится сток, оказывает притягивающее действие на электроны источника. Но они не могут проходить через кремний p-типа с высокой концентрацией дырок. Когда же на затворе создается положительный заряд, возникающее при этом электрическое поле притягивает электроны к поверхности и здесь в тонком слое образуется проводящий канал, по которому ток проходит от истока. В n-МОП-транзисторе, работающем в режиме обеднения, между истоком и стоком имеется непрерывный проводящий канал из кремния n-типа, так что в нормальном состоянии транзистор пропускает ток. При подаче же на затвор отрицательного напряжения ток прекращается, так как электроны выталкиваются из канала. В полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом электроны текут от истока к стоку. Ток электронов модулируется изменением напряжений на затворе и стоке. Поскольку МОП-транзисторы не требуют изолирующих островков, они допускают более высокую плотность "упаковки" на микросхеме, чем биполярные транзисторы. а – полевой n-МОП-транзистор; б – ПТ с управляющим p-n-переходом.
В процессе работы МОП-транзистора сn-каналом электроны, являющиеся основными носителями, выходя из истока, входят в канал и втягиваются в сток, который при этом приобретает положительное смещение относительно истока. Ток электронов модулируется напряжением на затворе. Как только потенциал стока, нарастая, сравняется с разностью потенциалов затвора и истока, ширина канала уменьшается до нуля и происходит так называемая отсечка. При дальнейшем повышении выходного напряжения на стоке ток остается почти постоянным.
Поскольку ток от затвора через диэлектрик практически отсутствует, входной импеданс полевого МОП-транзистора необычайно велик. Поэтому на затворе может длительное время сохраняться заряд, что позволяет создавать простые и изящные полупроводниковые запоминающие устройства. Благодаря этой интересной особенности полевых МОП-транзисторов и их малым размерам они приобрели важное значение в электронной промышленности.
5.5 ПТ с управляющим p-n-переходом
В таком полевом транзисторе контакты подводятся к полоскам в "кармане" высокоомного полупроводника n-типа. Наружная полоска является истоком; средняя полоска – сток – положительна относительно источника, так что от истока к стоку текут основные носители (электроны). Области затвора (p-типа) расположены в верхнем и нижнем слоях и соединены между собой диффузионно (рис. 7).
В рабочем режиме на p-n-переход подается напряжение обратного смещения, так что в областьn-типа распространяется зона обеднения. Изменяя обратное смещение на затворе, можно управлять шириной канала между затворами и модулировать ток. При достаточно большом напряжении происходит отсечка. Изменяя сочетания напряжений на затворе и стоке, можно сделать так, чтобы насыщение тока достигалось на любом постоянном уровне тока вплоть до нуля.
ПТ с управляющим p-n-переходом отличается очень высоким входным импедансом и очень низким уровнем шума. Поэтому он хорошо подходит для входного каскада тюнеров-усилителей.
Недостатки и надежность. В таких применениях, как телефонное, спутниковое, автомобильное и промышленное оборудование, от транзисторов требуется очень высокий уровень надежности. Скромная АТС, например, насчитывает около миллиона компонентов (в том числе транзисторов, резисторов и конденсаторов). За год они наберут около 1010ч наработки на компонент. Один отказ за миллиард часов наработки – желательная и достижимая в настоящее время интенсивность отказов – соответствует примерно одному отказу в месяц.