Транзисторов тиристоров

Одной из важных особенностей элементов полупроводниковых ИМС является высокая степень согласованности параметров транзисторов и других элементов, располагающихся на одном кристалле. Несмотря на то, что абсолютный разброс параметров интегральных транзисторов больше, чем дискретных, различие, например, в значениях напряжения l/ъэ для соседних интегральных транзисторов составляет — \ мВ, коэффициенты передачи тока р отличаются на ^ 5%. Температурные коэффициенты также велики, но благодаря малым различиям температуры соседних участков подложки, отстоящих на 100... 150 мкм, и подобию структур, температурные изменения происходят согласованно, так что различия не выходят за указанные выше пределы [81.

Параметры биполярных транзисторов малой, средней и большой мощностей приведены в табл. Ш.5. Масса биполярных транзисторов составляет 0,5—50 г, импульсный ток может в 10—50 раз превышать /к тах.

В результате инжекции дырок в базу, где они являются неосновными носителями, в последней возникает градиент (перепад) концентрации дырок, что приводит к их диффузионному перемещению во всех направлениях, в том числе и к коллекторному р-/г-переходу. Дрейф (перемещение носителей под воздействием электрического поля) неосновных носителей к коллектору играет второстепенную роль. При перемещении через базу концентрация неосновных носителей заряда уменьшается за счет рекомбинации с электронами, поступающими в базовую цепь от источника Еэ. Поток этих электронов образует базовый ток /б. Так как толщина базы Шб современных транзисторов составляет единицы микрон, то большая часть дырок достигает коллекторного р-п-перехода и захватывается его полем, рекомбинируя с электронами, поступающими от источника питания ?к. При этом в коллекторной цепи проходит ток /к, замыкая общую цепь тока. Таким образом, для токов транзистора справедливо соотношение

В данном случае применено инверсное включение транзисторов,, когда ток управления проходит по цепи база — коллектор. За счет этого при открытом переключателе остаточное напряжение каждого из транзисторов составляет единицы милливольт, что гораздо меньше того же напряжения при прямом включении транзисторов. Поскольку транзисторы включены встречно и имеют почти идентичные характеристики, то разность остаточных напряжений — остаточное напряжение переключателя ?/0ст — в целом может составлять десятки микровольт. Остаточное сопротивление открытого переключателя составляет несколько десятков Ом. В закрытом состоянии переключатель характеризуется током утечки между эмиттерами /зак. Для данного типа переключателя [/Ост^0,2 мВ (при токе управления /у^0,5 мА); /зак^1 мкА; максимальное напряжение управления ?/у.макс = 15 В; максимально допустимое напряжение между эмиттерами закрытого переключателя (/зак.макс = 30 В;. • максимальный ток эмиттера /э.Макс = 25 мА.

В этом выражении коэффициент передачи по току изменяется от транзистора к транзистору и даже для транзисторов одного типа это изменение может достигать 2—5. При изменении температуры изменяется и коэффициент усиления по току: растет на (0,3—0,5) % при увеличении температуры на 1 °С. Значительно изменяется и ток /К0. Для германиевых транзисторов он весьма велик и даже для маломощных транзисторов составляет несколько микроампер при комнатной температуре. В современных кремниевых транзисторах величина его на несколько порядков меньше и имеет величину несколько наноампер. Обратный ток весьма сильно зависит от окружающей температуры. Он удваивается при росте температуры на каждые 10 °С.

Разомкнем цепь эмиттера, а коллектор оставим под напряжением указанной полярности. Коллекторный переход, как видно из рисунка, находится под обратным напряжением, при этом через него протекает небольшой ток, образованный движением неосновных носителей. Этот начальный ток у германиевых транзисторов составляет десятки, а у кремниевых — единицы микроампер.

ности, то первый обязательно будет работать в «голодном» режиме, так как его ток эмиттера, равный току базы второго транзистора, у маломощных транзисторов составляет единицы и доли микроампер. «Голодный» режим первого транзистора заметно уменьшает его коэффициент усиления тока и в целом коэффициент уси-, ления тока составного транзистора. Это одна из причин нецелесообразности применения большого числа транзисторов (более двух) по составной схеме.

Для получения хороших частотных свойств должны быть сведены к минимуму значения паразитных параметров и размеры активных частей структуры транзистора. Поэтому толщина базы СВЧ-транзисторов составляет иногда менее 0,1 мкм, ширина эмиттерных полосок — менее 1 мкм. Для уменьшения объемного сопротивления базы при малой ее толщине необходима большая концентрация примесей в базе. Перспективным методом формирова-

—Хэ и для маломощных высокочастотных транзисторов составляет 0,3—1 мкм. Физическая толщина базы WE ( 4.2, а) соответствует расстоянию между границами обедненных слоев, поэтому она меньше технологической толщины базы.

Современные технологические методы позволяют получить физическую толщину активной базы менее 0,1 мкм. Однако при уменьшении толщины активной базы возрастает ее сопротивление и снижается напряжение смыкания эмиттерного и коллекторного р-я-переходов и, следовательно, и мощность. Для уменьшения сопротивления активной базы и повышения напряжения смыкания необходимо увеличивать концентрацию примесей в базе, но при этом возрастают емкости переходов. Реально толщина базы сверхвысокочастотных транзисторов составляет 0,1 — 0,3 мкм.

Время пролета носителей через базу тпр у обычных транзисторов составляет приблизительно 0,1 мкс. Конечно, это время очень мало, но на частотах порядка единиц — десятков мегагерц становится заметным некоторый сдвиг фаз между переменными составляющими токов /э и /к. Это приводит к увеличению переменного тока базы и, как следствие, к снижению коэффициента усиления по току. Это явление иллюстрируется векторными диаграммами, приведенными на 7.18. Первая из них соответствует относительно низкой частоте, на которой все токи практически совпадают по фазе, а коэффициент 0 имеет наибольшую величину

Возможны три типа элементной базы: ИМС, дискретные ЭРЭ, ИМС и дискретные ЭРЭ. Практически любое ЭУ, построенное на ИМС, имеет некоторое количество дискретных ЭРЭ. Однако если все основные функции в ЭУ выполняют ИМС, а дискретные ЭРЭ выполняют вспомогательные функции (фильтры в цепях питания, согласование с помощью мощных транзисторов, тиристоров или оптронов выходов ЭУ с нагрузками и т. п.), то такое ЭУ является, несомненно, микроэлектронным. На ИМС обычно строят ЭУ, перерабатывающие информацию на низком уровне напряжения и мощности. Так, например, электронные часы, структурная схема которых показана на 3.2, могут быть полностью построены на ИМС. Смешанную элементную базу имеют ЭУ, содержащие как маломощные, так и мощные функциональные элементы. Например, смешанную элементную базу имеют усилители, содержащие каскады предварительного усиления напряжения сигнала (ИМС) и мощные каскады (транзисторы).

Изложены физические основы рабо.ты полупроводниковых приборов. Дан подробный анализ свойств р — n-перехода. Рассмотрены принципы действия, конструктивные и технологические особенности различных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров, фотоэлектрических и термоэлектрических приборов, датчиков Холла, светодиодов, варисторов и др., а также приведены их технические данные.«Описаны также новые типы приборов: лавинне-пролетные диоды, приборы на эффекте Ганна, фототиристоры. Изложены физические лроцессы и а-вления, протекающие в пленочных структурах и положенные в основу принципа работы интегральных микросхем.

В основе принципа работы многих полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) лежат выпряли-тельные свойства р — п-перехода, которые в значительной степени зависят от того, насколько резкая граница между р- и п- слоями.

Кремний применяют для изготовления различных диодов и транзисторов, тиристоров, стабилитронов, фотодиодов, датчиков Холла, тензометров и других полупроводниковых приборов, а также интегральных схем.

Промышленная электроника базируется в основном на использовании полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др. Кроме того, в специальных областях техники используются электронные лампы, выпрямительные, усилительные, генераторные и др. Миниатюрные вакуумные лампы (с холодным катодом) широко применяются в вычислительной технике вследствие того, что скорость перемещения электронов в лампах значительно быстрее, чем в кремнии или арсениде галлия (6].

Во второе издание (первое вышло в 1974 г.) включен новый материал: технология изготовления структур на соединениях типа A1IJBV и их твердых растворах; технология изготовления дискретных приборов-диодов, транзисторов, тиристоров, оптронов, приборов СВЧ, приборов с зарядовой связью и на жидких кристаллах и др.

Особенностью интегральной микроэлектроники является то, что при создании интегральных микросхем конструкторы фактически копируют в микроминиатюре некоторую исходную электронную схему, выполненную из отдельных дискретных компонентов: диодов, транзисторов, тиристоров, резисторов, конденсаторов ... Таким образом, в основе интегральной микроэлектроники лежит принцип воспроизведения исходной дискретной схемы в виде интегральной схемы, содержащей все элементы исходной. Это приводит по мере усложнения операции, выполняемой микросхемой, к увеличению числа отдельных элементов, что имеет свой предел, обусловленный целым рядом физических факторов. Прежде всего, это связано с отводом тепла из микросхемы. Дело в том, что существует некоторое минимальное значение энергии, потребляемой активными компонентами микросхемы, ниже которого микросхема работать не может. Вследствие этого при увеличении (в некотором объеме полупроводника) числа отдельных компонентов микросхемы (сопровождаемое уменьшением их размеров) возрастает и потребляемая энергия питания и повышается выделение тепла, отвод которого — очень непростая задача. Помимо этого, уменьшение размеров сопровождается увеличением сопротивления токопроводящих металлических полосок, соединяющих отдельные компоненты, что может привести к нарушению режима работы. Уменьшение размеров свободных поверхностей и областей, изолирующих элементы друг от друга, приводит к увеличению взаимного влияния между элементами (за счет емкостных и индукционных эффектов).

Революционизирующее влияние на развитие автоматизированного электропривода оказали разработка и производство полупроводниковых приборов — транзисторов, тиристоров, которые благодаря своим преимуществам стали вытеснять ранее применявшиеся в электроприводе устройства с электронными лампами и ионными приборами. Наряду с системой генератор—двигатель (Г—Д), все шире используется более быстродействующая система тиристорный преобразователь — двигатель (ТП—Д).

Так как вакуумные люминисцентные индикаторы работают при относительно низком анодном напряжении, управлять ими можно с помощью полупроводниковых приборов — оптронов, транзисторов, тиристоров и микросхем ( 2.4,6).

С 1948 г., т. е. со времени создания американскими учеными Дж. Бардином, В. Браттейном и В. Шокли точечного транзистора, начался новый этап развития полупроводниковой электроники. В 50-х годах были разработаны различные типы биполярных транзисторов, тиристоров, мощных германиевых и кремниевых выпрямительных диодов, фотодиодов, фототранзисторов, кремниевых фотоэлементов, туннельных диодов и др.

и сигналами в процессе измерений. На этом уровне для различных полупроводниковых приборов (выпрямительных, импульсных и других диодов, стабилитронов, биполярных транзисторов, полевых транзисторов, тиристоров, оптоэлектрон-ных приборов) получают статические и динамические характеристики в результате измерений на автоматизированных измерительных системах (или с помощью моделирования на ЭВМ с применением более точной модели). Результаты испытаний записываются в базу данных под шифром типа прибора и затем используются при расчете, анализе и оптимизации параметров моделей приборов на следующих уровнях программного обеспечения.