Разумеется, при подборе металла в диодах Шоттки следует учитывать и контактную разность потенциалов фмз (см. табл. 2-1), и равновесный поверхностный потенциал фо. обусловленный поверхностными уровнями (см. § 2-4), и такие технологические факторы, как адгезия (степень сцепления) металла с полупроводником, возможность присоед1шения внешних проволочных выводов и т. п.

Глава четвертая

ТРАНЗИСТОРЫ 4-1. ВВЕДЕНИЕ

Плоскостной транзистор, разработанный в 1949-1950 гг. американским физиком В. Шокли [2, 24], - наиболее распространенный тип транзисторов. Он может с успехом выполнять как усилительные, так и ключевые функции, т. е. представляет собой универсальный элемент электронных схем.

Транзистор представляет собой двухпереходный прибор (рис. 4-1). Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. Кон-

такты с внешними электродами - р р

омические. В зависимости от типа \ \\уу /\

проводимости крайних слоев раз- j Й ./С

личают транзисторы р-п-р и п-р-п

со взаимно противоположными ра- /

бочими полярностями, что не имеет еехсд Б ереход аналогии в ламповой технике .

Чтобы не дублировать всех рассуж- Рис. 4-1. Упрощенная структу-дений и выводов, в дальнейшем бу- транзистора,

дем рассматривать только транзисторы р-п-р. Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рис. 4-2.

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой - эмиттером. Такое Название, как и у диодов, отражает факт инжекции неосновных носителей через переход. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой - коллектором.

В транзисторах типа п-р-п рабочими носителями являются электроны и полярности получаются такие же, как у электронных ламп. Б транзисторах типа р-п-р рабочими носителями являются дырки и полярности соответствуют воображаемой позитронной лампе. В микроэлектронике (в кремниевых интегральных микросхемах) главную роль играют и-р-п транзи-Ры. Тот факт, что ниже в основу анализа положены транзисторы р-п-р, ъясняется чисто историческими причинами: 1-е издание данной книги вышло гда, когда микроэлектроника только эароадалась, а в электронной технике осподствовали германиевые р-п-р транзисторы.

Это название отражает функцию собирания инжектированных носителей, прошедших через слой базы. Для того чтобы такое собирание было возможно, база должна иметь достаточно малую толщину W. В противном случае инжектированные носители успеют рекомбинировать в процессе перемещения -через базу, что мы видели на примере диодов с толстой базой (см. рис. 2-19).

Необходимо подчеркнуть, что транзистор представляет собой, вообще говоря, обратимый прибор, т. е. эмиттер и коллектор можно поменять местами, сохранив в той или иной мере работоспособность прибора. Такой вывод вытекает из однотипности крайних слоев. Однако, в связи с несим-

Змиттер

Коллектор Этттер

Коллектор

База faaaljj

Рис. 4-2. Условные обозначения транзисторов.

а - транзистор р-п-р; б - транзистор п-р-п.

Рис. 4-3. Реальная структура сплавного бездрейфового (диффузионного) транзистора.

метричностью реальной структуры (рис. 4-3, 4-36), а также различием материалов эмиттера и коллектора в большинстве типов транзисторов нормальное и инверсное включения неравноценны, в чем мы убедимся позднее.

Транзистор иногда работает и в таком своеобразном режиме, когда оба перехода смещены в прямом направлении. При этом, по существу, имеют место двусторонняя инжекция и двустороннее собирание неосновных носителей. Если функция инжекции превалирует на обоих переходах, транзистор превращается в двойной диод. Однако чаще на одном из переходов (обычно коллекторном) превалирует функция собирания , и тогда ток через него протекает в направлении, не соответствующем полярности смещения. Такой режим называется режимом насыщения по причинам, которые рассматриваются в гл. 15.

Из всего сказанного следует, что транзистор является системой двух взаимодействующих р-п переходов и что непременным условием такого взаимодействия является достаточно малая толщина базы (£0 < L, где L - диффузионная длина неосновных носителей). Основные свойства транзистора определяются процессами в базе, и им в дальнейшем будет уделено главное внимание. Характер движения инжектированных носителей в базе в общем случае заключается в сочетании диффузии и дрейфа. Электрическое поле, в котором происходит дрейф, может быть результатом высокого уровня инжекции (см. § 2-8), а также результатом неоднородности

слоя (см. рис. 1-17, а). Последний случай имеет особенно большое значение, так как собственное поле неоднородного полупроводника обусловливает дрейфовый механизм движения носителей независимо от уровня инжекции. Транзисторы без собственного поля базы иазьшаются диффузионными или бездрейфовыми, а с собственным полем - дрейфовыми. Оба названия отражают главный механизм перемещения носителей, хотя, как правило, диффузия и дрейф сочетаются. Более просты для анализа бездрейфовые транзисторы, ксугорым ниже уделено главное внимание. Особенности дрейфовых транзисторов будут рассмотрены в отдельном параграфе.

Выше подразулквалось, что оба напряжения (u и [/ ) отсчи-тываются от базы, принятой за основной электрод, общий для входной и выходной цепей транзистора. Такое включение транзис-

0- Вход

Выход 0-Вход -0 0-

Выход

Вход -0 0-

к в)

Выход -0

Рис. 4-4. Схемы включения транзистора. а - с общей базой; б - с сбщим эмиттером; е - с общим коллектором.

тора (рис. 4-4, а), позволяющее строго и наглядно изучить его физические свойства и параметры, называют включением с общей базой . Это включение будет в дальнейшем обозначаться буквами ОБ. Однако схема ОБ является не только не единственно возможной, но даже не наиболее распространенной на практике. Это объясняется рядом обстоятельств (например, отсутствием усиления тока), которые будут ясны из последующих глав. Основное применение в схемах находит другое включение транзистора, которое по вполне понятным причинам называют включением с общим эмиттером (рис. 4-4, б). Мы будем обозначать его буквами ОЭ. Преимущества схемы ОЭ также выяснятся в дальнейшем; однако можно сразу отметить, что она дает усиление по току, поскольку ток базы, являющийся для нее входным, гораздо меньше токов эмиттера и коллектора. Третий вариант включения - схема с общим коллектором (ОК) - показан на рис. 4-4, в.

Несмотря на практические недостатки, схема ОБ является основой при рассмотрении физических процессов в транзисторе. Поэтому именно она будет предметом анализа в ближайших параграфах.

4-2. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ

На рис. 4-3 показан разрез бездрейфового транзистора со сплавными переходами (см. § 4-13), имеющего дисковую структуру. По сравнению с другими типами транзисторов сплавной транзистор