Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником - Генрих Кардашев

Биполярные транзисторы

Еще на заре развития радиоэлектроники для детектирования колебаний использовался контакт тонкой проволочки («кошачьих усов») с полупроводниковым минералом галенитом. В 1921–1922 гг. сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев на основе полупроводникового диода создает знаменитый «Кристадин», где впервые используется особый режим усиления высокочастотных колебаний. Однако эти исследования были оставлены без должного внимания и несправедливо забыты. Господство электронных ламп продолжалось.

Перенесемся мысленно на полстолетия назад в лабораторию известной телефонной компании «Белл», где группа физиков возобновила прерванные войной исследования в области полупроводниковых материалов. Руководит группой физик-теоретик Уильям Шокли, вместе с ним работает физик-теоретик Джон Бардин и физик-экспериментатор Уолтер Браттейн.

Изучая полупроводники, Шокли намеривался в соответствии с разработанной им теорией воздействовать на ток, протекающий в них, электрическим полем. Этот эксперимент, как бы повторяющий идею электронно-вакуумного триода, не дал положительных результатов. Тогда Бардин и Браттейн, пытаясь разобраться в причинах постигшей их неудачи, решили провести более детальные исследования с точечными контактами металла и поверхности полупроводника. Пластинка кристалла германия n-типа была припаяна к заземленному металлическому диску-основанию (отсюда впоследствии появилось понятие базы). Сверху к кристаллу на расстоянии долей миллиметра были прижаты кончики двух золотых волосков (те же «кошачьи усы»). Однажды, в конце декабря 1947 г., Бардин и Браттейн подвели к одному из золотых контактов (который играл роль эмиттера) электрический сигнал звуковой частоты с небольшим положительным смещением, а на другой золотой контакт (служивший коллектором) подали значительно большее отрицательное напряжение. Исследователи с изумлением обнаружили, что сигнал на коллекторе оказался в 50 раз больше исходного.

Так был рожден точечный транзистор. Это был своеобразный залп «Авроры», предвещавший начало «транзисторной революции», с неизбежностью несущей на своих богатырских плечах революцию информационную. Шокли тут же разработал совершенную теорию его работы и вдобавок, в развитие своих первоначальных идей, предложил конструкцию плоскостного транзистора. Десять лет спустя все трое за эти работы были удостоены Нобелевской премии.

Вначале, описывая изобретенное устройство как элемент электрической цепи, исследователи назвали его Transresistor от Transfer resistor (передающий резистор), а уж затем сократили до современного Transistor (транзистор).

Рассматриваемые транзисторы имеют трехслойную структуру с чередующимися типами проводимости электронной (n) и дырочной (р), т. е. n-р-n или р-n-р. Наличие двух видов носителей зарядов обусловило их название «биполярные транзисторы». Современные транзисторы изготавливают совсем по другим технологиям, и они совсем не похожи на своих предтечей. Однако условное графическое обозначение биполярных транзисторов несет на себе исторические черты их рождения: средняя поперечная черта — пластинка-основание, символизирует базу, а две косые черточки, контактирующие с ней, два других электрода (бывшие «кошачьи усы») — это коллектор и эмиттер. Для того чтобы отличать транзисторы двух типов эмиттер изображают в виде стрелки, направленной к базе для р-n-р типа и от нее для n-р-n типа.

Таким образом, и здесь, как и в диоде, за основу взято условно-положительное направление тока в цепи: «от плюса к минусу» или, в данном случае, от p-области к n-области. Помня это нехитрое правило, не трудно по графическому изображению транзистора на схеме указать его тип, а это позволяет, по крайней мере, сразу разобраться с включением полярности источников питания (рис. 14).

Рис. 14. Транзисторы:

а — внешний вид; б, в — УГО биполярных транзисторов n-р-n и р-n-р типов и их модельные компоненты EWB; г, д — УГО полевых транзисторов с n- и p-каналами и их модельные компоненты EWB

Как уже указывалось выше, транзистор, представляющий собой электрический трехполюсник, включается в каскады в качестве четырехполюсника, поэтому один вывод с неизбежностью становится общим, что и дает название схеме включения. Наиболее распространенной является схема с общим эмиттером. Схемотехника транзисторных цепей с общим эмиттером аналогична схемотехнике ламповых цепей с триодами: эмиттер — катод, база — сетка, а коллектор — анод.

Полевые транзисторы

История изобретения и создания этого класса полупроводниковых приборов достаточно туманна: в разных источниках скупо упоминаются различные люди и даты. Возможно, что это связано с большой разновидностью подобных устройств. Поэтому, не анализируя, перечислим все известные нам факты в хронологическом порядке. В 1925 г. Юлиус Лилленфельд изобрел полевой транзистор с р-n переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. В 1939 г. английский ученый О. Хейл получил патент на устройство, в котором электрическое поле изолированного электрода управляло током, протекающим в тонком слое полупроводника. В 1952 г. упомянутый выше Шокли дал теоретическое описание униполярного полевого транзистора. Такие транзисторы, получившие название полевых с управляемым р-n переходом были впоследствии изготовлены Дейси и Россом, которые в 1955 г. также дали аналитическое описание их характеристик. В 1956 г. С. Тешнер (Франция) изобрел одну из разновидностей полевых транзисторов. В 1960 г. М. Атала и Д. Канг предложили использовать структуру металл-окисел-полупроводник в качестве основы для создания особого вида полевых транзисторов. Очевидно, что именно с этих транзисторов, которые стали широко использоваться в интегральных микросхемах, и по-настоящему началась эра полевых транзисторов. Полевые транзисторы не вытеснили биполярные, а лишь удачно дополнили их, так как обладали рядом уникальных особенностей, с которыми можно легко ознакомиться в виртуальных моделях.

Вначале дадим некоторые пояснения терминов и обозначений. Названия этого класса полупроводниковых приборов связаны с их принципом действия. В некоторой области полупроводника (канале, отсюда одно из названий — канальные) протекает ток основных носителей заряда, одного знака отсюда — униполярные транзисторы. Управление значением тока осуществляется поперечным электрическим полем, отсюда другое название — полевые транзисторы (в английской транслитерации — Field Effect Transistor, сокращенно FET). Все эти названия с разных сторон характеризуют один и тот же прибор и являются общеупотребительными.

Все разновидности полевых транзисторов можно, по существу, разделить на два больших класса: полевые транзисторы с управляющим р-n переходом — Junction (плоскостной) FET, или JFET, и полевые транзисторы с изолированным затвором — Insulated (изолированный) Gate (затвор), т. е. Insulated Gate FET, или сокращенно IJFET. Транзисторы последнего типа содержат в своей структуре Металл-Оксид-Полупроводник, отсюда сокращенно МОП или, на английском, Metall-Oxide-Semiconductor FET (MOSFET). Поскольку используемые оксиды (диоксид кремния SiО2) являются частным случаем диэлектрика, то в русском наименовании слово «оксид» меняют на «диэлектрик» и тогда аббревиатура превращается в МДП (соответственно в английском это Insulator и сокращенно MISFET). Выделяют также полевые транзисторы с каналом n-типа на основе арсенида галлия GaAsFET.

Использование комплементарных структур добавляет в русской аббревиатуре в их названии префикс «К»: КМОП или в английском «С» (от Complementary): CMOS. Именно последний акроним используется для обозначения энергонезависящей памяти компьютера, выполненной в виде интегральной микросхемы по соответствующей технологии. Данная микросхема хранит все начальные установки конфигурации ПК и, обладая малым потреблением энергии, работает годами без выключения, питаясь от миниатюрного аккумулятора.

В символике УГО полевых транзисторов (см. рис. 14 г, д) присутствует все та же направляющая стрелка, обозначающая электрод, называемый затвором (Gate), два других электрода имеют очевидные названия: исток (Source) — аналог эмиттера, сток (Drain) — аналог коллектора.

В полевом транзисторе с каналом p-типа полярности источников обратны. Поскольку входное сопротивление полевого транзистора составляет сотни мегаом. то не трудно сообразить, что ток, протекающий через затвор, очень мал (составляет единицы наноампер, а для МОП транзисторов даже единицы пикоампер). В отсутствие напряжения на затворе ток через него практически равен нулю. В этом, собственно, и заключается основная особенность полевых транзисторов по сравнению с биполярными, обусловившая их широкое распространение в микроэлектронике.