Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Наличие отрицательной дифференциальной проводимости позволяет использовать туннельные диоды для усиления и генерации СВЧ электрических колебаний, для смешения частот в супергете-роЯинных приемных устройствах (при этом, в отличие от обычных смесителей, здесь возможна компенсация потерь на преобразование), в качестве быстродействующих переключателей для счетнорешающих устройств и для других целей,
§ 4. Биполярный полупроводниковый триод
Одно из самых важных технических применений полупроводников, которое существенно стимулировало развитие современной физики полупроводников, заключается в их использовании для усиления и генерации электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили общее название транзисторов.
Примером очень распространенного транзистора может служить биполярный полупроводниковый триод *). Его рабочая часть состоит из пластинки полупроводника (обычно — монокристалличе-ского), в которой путем надлежащего распределения примесей созданы два близко расположенных р—«-перехода (см. рис. 8.7). Область между обоими переходами принято называть базой триода, а оконечные области — эмиттером и, соответственно, коллектором. Такую систему из двух переходов можно осуществить двумя способами: создавая у эмиттера и коллектора дырочную проводимость, а у базы — электронную, т. е. структуру типа р—п—р (рис. 8.7, а), либо структуру типа п—р—п (рис. 8.7, б).. Физические процессы в обоих случаях совершенно аналогичны и поэтому в дальнейшем для определенности мы будем говорить о р—п—р-структуре.
Для разъяснения принципа действия триода удобно сначала остановиться на одной из возможных схем его включения, показанной
*) Название «транзистор» произошло от соединения слогов английских слов transfer (передавать) и resistor (сопротивление). «Биполярный» указывает на го, что в данном приборе используется явление инжекции, а следовательно, необходима биполярная проводимость полупроводника.
286
ВЫПРЯМЛ. И УСИЛЕН. С ПОМОЩЬЮ р — « ПЕРЕХОДОВ [ГЛ. VIII
на рис. 8.7, в которой базовый электрод является общим для обеих цепей — эмиттера и коллектора («схема с общей базой»). Токи будем считать постоянными или изменяющимися медленно. Между эмиттером и базой приложено небольшое прямое напряжение, так что дырки из эмиттера инжектируются в область базы. Если толщина базы (расстояние между границами эмиттерного и коллекторного р—n-переходов) w < Lp, где Lp — длина диффузии дырок в базе, то значительная часть этих дырок не успеет рекомбинировать
Э Б И
П
+ 1 -
а)
Рис. 8.7. Биполярный триод р — п — р (а)- и п — р — п (б) типов в схеме с общей базой и аналогия с вакуумным триодом (в). Сверху — условное изображение на схемах.
в области базы и дойдет до коллекторного перехода. Так как к коллектору приложено большое обратное напряжение (потенциал коллектора отрицателен относительно базы), то в коллекторном переходе существует сильное электрическое поле, затягивающее дырки в коллекторную область. Поэтому все дырки, достигшие коллекторного перехода, будут входить в коллектор и участвовать в образовании тока в цепи коллектора. Обе цепи оказываются связанными друг с другом с помощью инжектированных дырок, так что всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает определенное изменение тока в цепи коллектора. В этом смысле полупроводниковый триод аналогичен вакуумному триоду, причем роль катода играет эмиттер, роль анода — коллектор, а роль управляющей сетки — база (рис. 8.7, в).
Так же как и в случае вакуумных триодов, усиление колебаний осуществляется за счет использования энергии источников постоянного напряжения, включенных в схему.
Транзисторный эффект описанного типа был открыт в 1948 г. Дж. Бардином, В. Браттейном и В. Шокли.
Важной характеристикой полупроводникового триода является коэффициент усиления тока в схеме с общей базой, который, по
БИПОЛЯРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТРИОД
287
определению, есть
а=(%А . (4.1)
\&1е/мс = const
Здесь Aic — абсолютная величина малого изменения тока коллектора, вызванного малым изменением тока эмиттера Aie, при условии, что напряжение коллектор — база ис поддерживается постоянным. Этот коэффициент существенно определяет параметры триода в различных схемах его включения.
Величина а определяется свойствами эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора (в первую очередь — концентрациями равновесных носителей заряда в них), а также процессами рекомбинации в области базы и в эмиттерном р—«-переходе. Действительно, полный ток эмиттера ie, в соответствии с формулой
(1.1), можно представить в виде
le ~ I ре'4“ ^пе ""Ь
Здесь ipe— ip (х2) есть ток дырок, вступающих из эмиттера в базу, на границе эмиттерный переход—база при х — х2 (ср. рис. 8.1); ine — ipn (—*i) — ток электронов, идущих из базы в эмиттер, на границе перехода при х = —ir — ток, возникающий вследствие рекомбинации, внутри эмиттерного р—n-перехода. Так как к коллектору движутся только дырки, то составляющие тока ine и г, не изменяют тока коллектора и являются бесполезными. Отношение
