Transistor lưỡng cực

48

III. Transistor sinh cực

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học M. E. LEVINSHTEIN, Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học G. S. SIMIN

Nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn phân cực sinh học (BT) được thảo luận chi tiết trong khóa học vật lý ở trường (“Vật lý 9”, §81). Do đó, ở đây chúng tôi sẽ chỉ giới hạn ở phần mô tả ngắn gọn về các tính năng chính của hoạt động BT.

Transistor bao gồm ba lớp bán dẫn với các loại độ dẫn điện giao nhau, nghĩa là nó có cấu trúc p-n-p- hoặc n-p-n-.

Trong cấu trúc pnp, tạp chất của máy gia tốc được thêm vào hai vùng cực của bóng bán dẫn, được gọi là bộ phát và bộ thu, và dòng điện trong các vùng này được mang bởi các lỗ tích điện dương. Các tạp chất bổ sung được thêm vào phần giữa của cấu trúc, được gọi là bazơ, giúp làm giàu chất bán dẫn bằng các electron dẫn được in chìm.*)

Trong cấu trúc n–p–n, tạp chất hỗ trợ được thêm vào bộ phát và bộ thu, và tạp chất máy gia tốc tương ứng được thêm vào cơ sở.

Cả hai loại cấu trúc bóng bán dẫn đều được sử dụng rộng rãi. Trong tương lai, với mục đích định nghĩa, chúng ta sẽ chỉ nói về BT loại n-p-n, đặc biệt vì các bóng bán dẫn như vậy thường được sử dụng nhiều hơn trong máy tính.

Hình 1 thể hiện nguyên lý hoạt động của BT. Một nguồn điện áp bên ngoài được kết nối giữa bộ phát và đế sẽ trộn điểm nối p-n của bộ phát và đế theo hướng thuận (thông lượng). Nguồn thứ hai sẽ trộn bộ thu tiếp giáp p-n - đế theo hướng ngược lại (chặn). Với kết nối này, một dòng điện nhỏ chạy trong đế sẽ tạo ra một dòng điện trong mạch thu có cường độ lớn hơn.

Tỷ lệ giữa dòng điện thu và dòng cơ sở—tỷ lệ thành công hiện tại của bóng bán dẫn β—được xác định bởi độ linh động của các hạt tải điện trong vật liệu và độ dày cơ sở W. W càng nhỏ và μ càng lớn thì tỷ lệ thành công càng lớn. Giá trị của β trong BT dao động từ vài chục đến vài nghìn.

Trong các mạch máy tính, BT thường được cấp nguồn không phải từ hai, như trong hình 1, mà từ một nguồn điện (hình 2) và hoạt động ở chế độ được gọi là chế độ phím.

*) Vì trong các bóng bán dẫn loại này, các chất mang cả hai dấu hiệu - electron tích điện âm và lỗ trống - đóng vai trò quan trọng không kém - nên các bóng bán dẫn như vậy được gọi là cực sinh học. Trong các bóng bán dẫn hiệu ứng trường (xem số trước của tạp chí), chuyển động của các hạt mang chỉ một dấu được sử dụng - electron hoặc lỗ trống. Do đó, bóng bán dẫn hiệu ứng trường đôi khi còn được gọi là đơn cực.

Hình 1. Sơ đồ biểu diễn của một bóng bán dẫn phân cực sinh học.

Hình 2. Hoạt động BT ở chế độ phím.

Đây là cách bóng bán dẫn phân cực sinh học được thiết kế (1947). Bọc lá vàng (3) vào một tấm nhiệt điện đơn tinh thể (6) bằng một hình tam giác nhựa ép mạnh (2). Ở đầu hình tam giác, ép vào đĩa, giấy bạc được cắt bằng dao cạo. Tại điểm tiếp xúc của lá mỏng với bề mặt của tinh thể đơn, một vùng loại p được hình thành: bộ phát (1) và bộ thu (4); giữa chúng là đế (5).

49

Transistor nhị phân công nghiệp đầu tiên (1948) Các mối nối bộ phát và bộ thu được chế tạo bằng cách nung chảy các dây mỏng thành tinh thể nhiệt. Tăng $\beta \cong 2$, thời gian chuyển đổi $t_0 \cong 30$ ms, đường kính vỏ 1 cm, cao 4 cm.
1 - tiếp điểm với bộ phát;
2 - liên hệ với người thu gom;
3 - cơ thể; 4 - miếng đệm cách điện; 5 - hai tiếp điểm nối dây; 6—tinh thể nhiệt; 7 - liên hệ với cơ sở.

Khi hoạt động ở chế độ này, BT có thể ở một trong hai trạng thái - mở hoặc đóng.

Không để tín hiệu nào được đưa vào đầu vào của bóng bán dẫn hiển thị ở hình 2. Điện áp nguồn $E$ sẽ trộn điểm nối đế-cực thu theo hướng ngược lại (chặn) và $p$ - điểm nối đế-bộ phát - theo hướng thuận. Do điện trở của ngã ba $p$ - $n$ theo hướng chặn rất cao nên gần như toàn bộ hướng giảm tại ngã ba thu BT. Điện áp giữa đế và cực phát gần bằng 0. Vì vậy, thông qua bộ chuyển đổi nó thực tế không có. Ở trạng thái này, bóng bán dẫn được “đóng”. Toàn bộ hướng của nguồn $E$ rơi vào bóng bán dẫn. Hướng đầu ra $U_{вых} \approx E$ lớn.

Một tín hiệu nhỏ giữa cực gốc và cực phát, trộn lẫn điểm nối cực phát-đế theo hướng thuận (xuyên qua), gây ra sự xuất hiện của dòng điện lớn trong mạch cực thu-cực phát. Trong trường hợp này, hướng của nguồn điện giảm ở điện trở tải $R_H$. Điện áp trên bóng bán dẫn trở nên thấp - bóng bán dẫn “mở”.

Hai trạng thái dễ phân biệt này tương ứng với trạng thái “0” và “1” trong các mạch logic dựa trên BT.

Tốc độ chuyển BT từ mở sang đóng và ngược lại được xác định bởi cả thông số của chính thiết bị và mạch kết nối của thiết bị. Về nguyên tắc, thời gian chuyển mạch ngắn nhất có thể đạt được được xác định bằng thời gian mà các hạt mang (electron trong $n$ - $p$ - $n$-hoặc các lỗ trong $p$ - $n$ - $p$-bóng bán dẫn) đi qua đế của bóng bán dẫn do quá trình khuếch tán.

Trong quá trình khuếch tán (đi bộ ngẫu nhiên), các chất mang trong thời gian $t$ di chuyển ra khỏi vị trí ban đầu một khoảng $x = \sqrt{Dt}$, trong đó $D$ là hệ số khuếch tán của các chất mang trong một vật liệu nhất định$^*$). Do đó, thời gian chuyển đổi tối thiểu có thể có $t_0$ trong BT có độ dày đế $W$ được xác định là $t_0 \approx W^2/D$.

Cần lưu ý rằng hệ số khuếch tán có liên quan đến độ linh động của sóng mang $u$ sự phụ thuộc do Albert Einstein thiết lập. Theo thư từ của Einstein, giá trị của $D$ tỷ lệ thuận với giá trị của $u$.

Do đó, tốc độ tối đa có thể có của các bóng bán dẫn hai cực, cũng như các bóng bán dẫn hữu ích, chiều dài đường đi của các sóng mang hiện tại càng cao, càng ngắn (độ dày cơ sở $W$) và khả năng di chuyển của các sóng mang $u$ trong vật liệu chế tạo bóng bán dẫn càng cao.

Hiện nay, phần lớn BT được làm từ silicon (Si). Độ linh động của electron trong Si xấp xỉ $0,1 \text{ m}^2 / (\text{B} \cdot \text{c})$. Vật liệu hứa hẹn nhất để sản xuất BT trong tương lai gần là gali arsenide (GaAs). Độ linh động của điện tử trong đó là khoảng $1 \text{ m}^2 / (\text{B} \cdot \text{c})$.

Tốc độ trích xuất thực tế của các ô logic nối tiếp hiện đại trên BT là 1 - 10 ns. Thời gian chuyển mạch BT thấp kỷ lục đạt được vào năm 1984 là 30 ps ($30 \cdot 10^{-12} \text{ c}$).

$^*)$ Đọc chi tiết hơn về vấn đề này, chẳng hạn như trong cuốn sách của M. E. Levinshtein và G. S. Simin “Giới thiệu về chất bán dẫn”, Thư viện «Kvant», không. 33. (Chú thích của biên tập viên)