4. Полупроводниковые транзисторы

Свойства p-n-перехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний. Электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов, называют транзистором.

Термин «транзистор» происходит от комбинации английских слов transfer of resistor, что в переводе означает «преобразователь сопротивления».

Действие транзистора основано на управлении движением носителей зарядов в полупроводниковом кристалле.

По принципу действия транзисторы делят на два основных класса: биполярные и полевые (униполярные). В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков – основных и неосновных. В полевых (униполярных) транзисторах, используется движение носителей одного знака (основных носителей).

Транзисторы различают:

по мощности:

малой мощности	Pдоп < 0,3 В т;
средней мощности	0,3 < Pдоп< 1,5 Вт;
транзисторы большой мощности	Pдоп> 1,5 Вт;

по граничной частоте пропускания

низкочастотные	fгр < 3 МГц
средней частоты	3 < fгр < 30 МГц
высокой частоты	30 < fгр < 300 МГц
СВЧ транзисторы	fгр > 300 МГц

Маркировка транзисторов состоит из шести символов:

• первый символ (буква) обозначает материал;

• второй символ (буква П или Т) обозначает: П – полевой, Т – биполярный;

• третий символ (цифра) характеризует транзисторы по частоте и по мощности:

1 – малой мощности, низкой частоты;

2 – малой мощности, средней частоты;

3 – малой мощности, высокой частоты;

4 – средней мощности, низкой частоты;

5 – средней мощности, средней частоты;

6 – средней мощности, высокой частоты;

7 – большой мощности, низкой частоты;

8 – большой мощности, средней частоты;

9 – большой мощности, высокой частоты;

• четвертый и пятый символы (цифры) обозначают номер разработки;

• шестой символ (буква) обозначает параметры, не являющиеся классификационными.

4.1. Биполярные транзисторы

4.1.1. Общая характеристика

Биполярный транзистор(в дальнейшем просто транзистор) – это трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих р-n-перехода. Транзистор (рис. 4.1) состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт.

Переход, который образуется на границе областей «эмиттер – база», называется эмиттерным, а на границе «база – коллектор» – коллекторным. Проводимость базы может быть как дырочной, так и электронной; соответственно различают транзисторы со структурами n-p-nиp-n-p. Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, за исключением того, что в транзисторе типаn-p-nток, текущий через базу от эмиттера к коллектору, создают электроны, а в транзисторе типаp-n-pэтот ток создают дырки. Полярность рабочих напряжений и направления токов в транзисторахn-p-n-типа иp-n-p-типа противоположны.

Н

Рис. 4.1. Конструкции биполярного транзистора

а схемах эмиттер изображают стрелкой, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

Рассматривая трехслойную полупроводниковую структуру, можно убедиться, что у транзистора нет принципиальных различий между эмиттерным и коллекторным переходами и (при включении транзистора в схему) их можно поменять местами, т.е. коллекторный переход использовать в качестве эмиттерного, а эмиттерный – в качестве коллекторного. Но при конструировании кристалла всегда добиваются того, чтобы прямой ток эмиттерного перехода практически целиком замыкался через коллекторную цепь, т.е. I_к ≈ I_з.

Для этого необходимо выполнение следующих основных условий:

1. база транзистора должна быть настолько тонкой, чтобы инжектированные в нее носители могли относительно свободно (не рекомбинируя) достигать коллекторного перехода. У современных приборов толщина базы имеет порядок единиц микрометров;

2. эмиттерная область в сравнении с областью базы должна иметь большую концентрацию примеси (концентрацию примесей в базе делают на два-три порядка меньше концентрации примесей в эмиттере), чтобы прямой ток эмиттера в основном определялся носителями, инжектируемыми эмиттером в базу;

3. площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода (s_к>s_э), чтобы инжектированные в базу носители при перемещении в направлении уменьшения своей концентрации попадали преимущественно в область коллекторного перехода. Отношениеs_э /s_кобычно составляет 0,15 – 0,5;

4. чтобы увеличить максимально допустимое напряжение коллектора, которое ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода (U_к.б.max ≈ 0,8U_{к.б.проб}) в область коллектора обычно вносят несколько меньшую дозу примеси, чем в область эмиттера. Следовательно, для транзистораp-n-p-типа:

n_б <<p_к<<p_з.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует, и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионнымиили бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

На каждый p-n-переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Соответственно различают четыре режима работы транзистора:

1. отсечки– на оба перехода подано обратное напряжение;

2. насыщения– на оба перехода подано прямое напряжение;

3. активный– на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное;

4. инверсный– на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный переход – прямое.

Активный режим работы используют для усиления и генерирования сигналов. Режим работы насыщения и режим отсечки используются в ключевых устройствах, в логических устройствах, цифровых интегральных схемах. Инверсный режим используется в специальных схемах.