48
III. Биополярные трансисторы
Доктор физико-mатематических наук М. Е. ЛЕВИНШТЕЙН, кандидат физико-mатематических наук Г. С. СИМИН
Приципп работы биополярного трансистора (БТ) довольно подробно рассмотрен в школьном курсе физики («Физика 9», §81). Поэтому здесь мы ограничимся только кратким описанием основных особенностей работы БТ.
Транзистор состоит из трех слоев полупроводника с черезщимся типами проводимости, то есть представляет собой p—n—p- или n—p—n-структуру.
В p—n—p-структуре в две крайние области трансистора, называемые эмittтером и коллектором, добавлены акцеторные примеси, и ток в этих области переносится положительно заряженными дырками. В среднюю часть структуры, называемой базой, добавлены допорные примеси, что обогащает полупроводник отпечатываемых электронами проводимости.*)
В n—p—n-структуре соответствен в эмittтер и коллектор добавлена допорная, а в базу — акцеторная примеси.
Широкое распространение получили оба типа трансисторных структуры. В дальнейшем мы будем для определения говорить только o БТ типа n—p—n, тем более что в ЭВМ чаще использоваться именно такие трансисторы.
Рисунок 1 показает приципп работы БТ. Внешний источник напряжения, включенный между эмittтером и базой, смешает p—n-переход эмittтер — база в прямом (пропускном) направлении. Второй источник смешает p—n-переход коллектор — база в обратном (запираюшем) направлении. При таком включении небольшой ток, протекающий в базе, вызывает появление в цепи коллектора тока, городад больше по величины.
Отношение тока коллектора к току базы — коэффициент успешная трансистора по току β — определяется подвижностью носителей тока в материалов и толщиной базы W. Чем меньше W и больше μ, тем больше коэффициент успешная. Величина β в БТ лежит в пределах от нескольких десятов до нескольких тысяч.
В схемах ЭВМ БТ часто питаются не от двух, как показано на рисунке 1, а от одного источника питания (рис. 2) и работают в так называемом ключевом режиме.
*) Поскольку в трансисторах такого типа одинаково важную роль играют носители обихих знаков — отрицательно заряженные электроны и положительные дырки, — то такие трансисторы называются биополярными. В полевых трансисторах (см. предыдущий номер журнала) использовается движение носителей только какого-либо одного знака — или электронов, или дырок. Поэтому иногда полевые трансисторы называют еще и униполярными.
Рис. 1. Схематическое изображение биополярного трансистора.
Рис. 2. Работа БТ в ключевом режиме.
Так был устройный биополярный трансистор (1947 г.). В пластинку монокристалического термания (6) с сильной вдавающей пластмассовый треугольник (2), обернуть золотой фольцов (3). На вершине треугольника, вдавленной в пластинку, фольга разрезана бритвой. В месте соприкосновения фольги с поверхностью монокристалла образуется область p-типа: эмттер (1) и коллектор (4); между ними — база (5).
49
Первые промышленный бино-лярный трансistor (1948 г.). Эмттерный и коллекторный переходы изготовления вплавленем в терманеевый кристалл тонких проводок. Коэффициент усиления , время переключения мс, диаметр корпуса 1 см, высота 4 см.
1 — контакт к эмттеру;
2 — контакт к коллектору;
3 — корпус; 4 — изолирующая прокладка; 5 — две контакты проводок; 6 — кристалл термания; 7 — контакт к базе.
При работе в таком режиме BT может находиться в одном из двух возможных состояний — открытом или закрытом.
Пусть на вход транстора, показанного на рисунке 2, сигнал не подан. Напряжение источника питания смешает переход коллектор — база в обратном (запирающем) направлении, а — переход эмттер — база — в прямом. Так как сопротивление — -перехода в запирающем направлении очень велико, то практические все направление падает на коллекторном переходе BT. Напряжение между базой и эмттером близко к нулю. Так через транстор практически отсутствует. В таком состоянии трансistor «закрыт». Все направление источника падает на трансисторе. Выходное направление велико.
Небольшой сигнал между базой и эмттером, смешащий переход эмттер — база в прямом (пропускном) направлении, обусловливает появление большого тока в цепи коллектор-эмттер. При этом направление источника питания падает на нагрузочном сопротивлении . Напряжение на трансисторе становится малим — трансistor «открыт».
Эти два легко различных состояния соответствуют состоянием «0» и «1» в логических схемах на основе BT.
Скорость переключения BT из открытого состояния в закрытое и обратно определяется как параметрами самого прибора, так и схемой его включения. Самое малое время переключения, которое в принципиме может быть получено, определяется временем, в течение которого носители (электроны в — — -или дырики в — — -транзисторах) проходят через базу трансистора благодар процессу диффузии.
При диффузии (случайном блюждении) носители за время удаляются от начального положения на расстояние , где — коэффициент диффузии носителей в данном материале). Отсюда минимальное возможное время переключения в BT с толщиной базы определяется как .
Следует отметить, что коэффициент диффузии связаан с подвижностью носителей зависитство, установленной Альбертом Эйштейном. В соответствии с соответствии Эйштейна значение прямо пропорционально величины .
Таким образом, предельно возможное быстроествие бинолярных трансисторов, так же как и полезных, тем выше, чем меньше длина пути, проходимого носителей тока (толщина базы ), и чем выше подвижность носителей в материалов, из которого изготовлен трансistor.
В настоящее время подавляющая часть BT изготовливается из кремния (Si). Подвижность электронов в Si примерно . Наболеще перепективный материал для изготовления BT близкой его будущего — арсенид галия (GaAs). Подвижность электронов в нем — около .
Практическая скорость сравывания современных серийных логических ячеек на BT составляет 1 — 10 ns. Рекордно малое время переключения BT, полученное в 1984 году, равняется 30 пс ().
Об этом более подробно прочитать, например, в книге М. Е. Левинштейна и Г. С. Симина «Знакомство с полупроводниками», Библиотека «Квант», вып. 33. (Примеч. ред.)