6. Транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор с электронно-дырочными переходами, имеющий три или более выводов и позволяющий осуществлять усиление и генерирование электрических сигналов, а так же коммутацию электрических цепей в качестве бесконтактного ключевого элемента.

Название «транзистор» получено от сокращения английских слов [TRANS]fer res[ISTOR] – управляемое сопротивление. Название отражает основные свойства транзистора – изменять внутреннее сопротивление при воздействии управляющего сигнала.

Движение носителей зарядов в транзисторах может происходить путем диффузии или под действием электрического поля. В связи с этим различают биполярные транзисторы, в которых ток обусловлен движением основных и неосновных носителей электрических зарядов, и полевые (униполярные), в которых ток создается только основными носителями. Транзисторы изготавливают из германия, кремния, бинарных соединений (арсенид галлия GaAs, карбид кремния SiC, фосфид галлия GaP), тройных соединений.

По конструктивному исполнению транзисторы можно разделить на точечные и плоскостные. Точечные транзисторы применяют редко из-за низкой стабильности параметров ЭДП.

По технологии изготовления ЭДП различают транзисторы: сплавные (ЭДП, полученные методом вплавления), диффузионные (ЭДП получены путем диффузии примеси), диффузионно-сплавные, планарные (от английского слова «planar» – плоскость, электроды и их выводы расположены в одной плоскости на поверхности кристалла), эпитаксиальные (эпитаксия – ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого, называемого подложкой) и другие.

Транзисторы классифицируют по рассеиваемой мощности:

1. маломощные (до 0,3 Вт) – точечные, сплавные, СВЧ;

2. средней мощности (до 1,5 Вт) – сплавные, плоскостные;

3. большой мощности (свыше 1,5 Вт) – сплавные, плоскостные.

Также транзисторы различают по предельной частоте:

1. низкой частоты (до 3 МГц);

2. средней частоты (до 30 МГц);

3. высокой частоты (до 300 МГц);

4. СВЧ (свыше 300 МГц).

Первоначально транзисторы использовались в слаботочных цепях радиоэлектроники и автоматики, где заменили электронные лампы. В настоящее время разработаны мощные транзисторы на токи до сотен ампер и напряжением до 1000 В. На их основе разрабатываются современные преобразователи средней мощности (до нескольких сотен кВт).

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами проводимости, пригодный для усиления мощности.

Биполярный транзистор предложен в 1949 г. У. Б. Шокли.

У биполярных транзисторов возможны две трехслойные структуры (рис. 6.1).

б г

Рис. 6.1. Структуры (а, в) и условные графические обозначения (б, г)

биполярных транзисторов p-n-p- и n-p-n-типов соответственно

Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов и дырок), который главным образом создает ток прибора, называется эмиттером (Э). Слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера, называется коллектором (К). Средний слой называется базой (Б).

Стрелками на схемах условных обозначений транзисторов (рис. 6.1, б, г) показаны направления эмиттерных токов.

Основой биполярного транзистора является пластинка кремния или германия, состоящая из трех областей. Две крайние, как отмечено выше, обладают проводимостью одного типа, средняя – противоположной проводимостью.

Структурная схема маломощного биполярного транзистора n-p-n-типа приведена на рис. 6.2.

Соотношение концентраций основных носителей заряда в эмиттере и коллекторе несущественно. Отличие же в концентрации основных носителей заряда в эмиттере и базе весьма важно, так как оно влияет на характеристики и параметры транзистора. Концентрация основных носителей заряда в базе должна быть много меньше, чем в эмиттере и, соответственно, базовый слой должен быть более высокоомным, чем эмиттерный. Кроме того, расстояние между эмиттером и коллектором должно быть очень малым (не более единиц микрометров), то есть область базы должна быть очень тонкой.

Рис. 6.2. Структурная схема маломощного биполярного транзистора

n-p-n-типа

При отсутствии внешних напряжений на границах разделов трех слоев образуются объемные заряды, создаются внутренние электрические поля, между слоями возникает разность потенциалов.

Принцип действия транзисторов p-n-p-типа и n-p-n-типа и физические процессы, происходящие в них идентичны. Промышленность выпускает транзисторы обоих типов.

Структура ЭДП в транзисторе p-n-p-типа при отсутствии тока и потенциальные барьеры ЭДП приведены на рис. 6.3.

Когда транзистор не подключен к внешним источникам электрической энергии, в его переходах П₁ и П₂ создаются потенциальные барьеры высотой _к. Через структуру транзистора протекает два небольших тока:

– ток диффузии I_диф, обусловленный диффузией через переходы основных носителей (дырок из p-области и электронов из n-области);

– встречный дрейфовый ток I_др, созданный неосновными носителями зарядов.

При постоянной температуре, одинаковой концентрации основных носителей заряда в эмиттере и коллекторе ЭДП находятся в состоянии динамического равновесия, то есть i_диф = i_др.

Рис. 6.3. Структура транзистора p-n-p-типа при отсутствии тока (а)

и потенциальные барьеры ЭДП (б)

Внешнее напряжение подключается к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П₁ в прямом направлении (снижение ширины ЭДП и высоты потенциального барьера _к), а коллекторного перехода П₂ – в обратном. Это обеспечивается при помощи двух источников напряжения (рис. 6.4, а) – U_ЭБ (десятые доли вольта) и U_БК (единицы-десятки вольт).

Так как в эмиттерном переходе П₁ напряжение источника U_ЭБ действует в прямом направлении, то ток диффузии увеличивается, высота потенциального барьера _к уменьшается.

Дырки из эмиттера в большом количестве будут инжектироваться (впрыскиваться) в базу, аналогичным образом увеличивается обратный диффузионный поток электронов из базы в эмиттер.

При этом диффузионный ток эмиттера равен:

I_{диф э}=I_{диф эр}+I_{диф эn}, (6.1)

где I_{диф эр} – дырочная составляющая диффузионного тока эмиттера,

I_{диф эn} – электронная составляющая диффузионного тока эмиттера.

Рис. 6.4. Структура транзистора p-n-p-типа (а) и потенциальные

барьеры ЭДП (б) при приложении внешних напряжений

Вследствие того, что концентрация основных носителей заряда в базе (электронов) много меньше, чем дырок в эмиттере, то I_{диф э}  I_{диф эр}.

Для оценки свойств транзистора вводится понятие коэффициента инжекции:

(6.2)

где I_эр – дырочная составляющая тока эмиттера,

I_э – ток эмиттера.

Для современных транзисторов  = 0,97-0,995.

Дырки, попав в базу, диффундируют к коллекторному переходу П₂, поле в котором является ускоряющим для них. Дырки, входя в коллекторный переход, захватываются его полем и попадают (экстрагируют) в коллектор, создавая в цепи его коллекторный ток I_к, зависящий от тока эмиттера I_э. Если толщина базы достаточна мала, то большинство дырок достигнет коллектора, не успев рекомбинировать с электронами. При этом число дырок, проходящих через коллекторный переход П₂, несколько меньше, чем проходящих через эмиттерный переход П₁, так как I_к  I_э.

Ток базы определяется двумя составляющими:

I_б = I_бр + I_бn, (6.3)

где I_бр – дырочная составляющая тока базы, образованная в результате рекомбинации дырок с электронами,

I_бn – ток, обусловленный прохождением некоторого числа электронов из базы в эмиттер через эмиттерный переход П₁, I_бn = I_эn.

Обе эти составляющие образуются вследствие того, что в базу, вместо перешедших в эмиттер и исчезнувших при рекомбинации электронов от источника напряжения эмиттер-база U_ЭБ, входят новые электроны.

Ток базы – явление вредное, желательно, чтобы он был как можно меньше. Для его снижения принимают следующие меры: базу делают очень тонкой и уменьшают в сотни раз концентрацию примесей, которая определяет концентрацию электронов.

По первому закону Кирхгофа можем записать:

I_эр = I_бр + I_кр, (6.4)

где I_эр, I_бр, I_кр – дырочные составляющие токов соответственно эмиттера, базы и коллектора.

Часть дырок в базе рекомбинирует, но это малая часть, поэтому I_крI_бр.

Для оценки свойств транзистора используется понятие коээфициента переноса неосновных носителей через базу:

. (6.5)

Желательно, чтобы значение  стремилось к единице, что возможно при сокращении потерь дырок при рекомбинации при более тонкой базе. Для современных транзисторов   0,96-0,996.

Коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей, связан с током эмиттера коэффициентом передачи тока:

. (6.6)

С учетом выражений (6.2) и (6.5) имеем

=. (6.7)

Для современных транзисторов   0,92-0,999.

Таким образом, для увеличения коэффициента передачи  необходимо увеличивать разность концентраций в эмиттере и базе основных носителей заряда и уменьшить толщину базы.