Біполярний транзистор

|- align = "center" | || PNP |- align = "center" | || NPN

Біполярний транзистор — напівпровідниковий прилад, елемент електронних схем. Має три електроди — емітер, базу і колектор, — один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем носіїв заряду, що мають як позитивний, так і негативний електричний заряд. В залежності від типу носіїв заряду, які використовуються в транзисторі, біполярні транзистори поділяються на транзистори типів NPN та PNP. В транзисторі типу NPN емітер і колектор легуються донорами, а база — акцепторами. В транзисторі типу PNP — навпаки.

Біполярні транзистори використовуються в підсилювачах, генераторах, перетворювачах сигналу, логічних схемах.

Історія винаходу Біполярний транзистор винайшли в 1947 році Джон Бардін і Волтер Браттейн під керівництвом Шоклі із Bell Labs, за що отримали Нобелівську премію з фізики. Вперше його продемонстрували 16 грудня, а 23 грудня відбулось офіційне представлення винаходу і саме ця дата вважається днем відкриття транзистораЕлектротехнічні товари: Словник термінів.

Будова

На малюнку праворуч схематично показана будова біполярного транзистора типу NPN. Колектором служить напівпровідник n-типу, легований донорами до невисокої концентрації 1013−1015 см−3. Перед створенням бази напівпровідник покривають фоторезистом і за допомогою літографії звільняють вікно для легування акцепторами. Атоми акцептора дифундують в глибину напівпровідника, створюючи область із доволі високою концентрацією — 1017−1018 см−3. На третьому етапі знову створюється вікно для легування донорами й утворюють емітер із ще вищою концентрацією домішок, необхідною для того, щоб спочатку компенсувати акцептори, а потім створити напівпровідник n-типу. Відношення домішок у емітері до бази повинно бути якомога більшим для забезпечення гарних характеристик транзистора.

Ще кращих характеристик можна досягти, якщо перехід між базою й емітером зробити гетеропереходом, у якому емітер має набагато більшу ширину забороненої зони, хоча це і збільшує собівартість транзистора. В такому випадку на поверхню бази через вікно напилюється інша речовина.

Принцип дії Дія біполярного транзистора базується на використанні двох p-n-переходів між базою та емітером і базою та колектором. В області p-n-переходів виникають шари просторового заряду, між якими лежить тонка нейтральна база. Якщо між базою й емітером створити напругу в прямому напрямку, то носії заряду інжектуються в базу й дифундують до колектора. Оскільки вони є неосновними носіями в базі, то легко проникають через p-n-перехід між базою й колектором. База виготовляється достатньо тонкою, щоб носії заряду не встигли прорекомбінувати, створивши значний струм бази. Якщо між базою й емітером прикласти запірну напругу, то струм через ділянку колектор-емітер не протікатиме.

Характеристики біполярних транзисторів поділяються на вхідні, перехідні, вихідні і характеристики керування.

Класифікація та маркування

Класифікація Транзистори класифікуютьсяТерещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. — Київ : Наукова думка, 1988. С. 183—191. за вихідним матеріалом, розсіюваною потужністю, діапазоном робочих частот, принципом дії. В залежності від вихідного матеріалу їх поділяють на дві групи: германієві та кремнієві. За діапазоном робочих частот їх ділять на транзистори низьких, середніх та високих частот, за потужністю — на класи транзисторів малої, середньої та великої потужності. Транзистори малої потужності ділять на шість груп: підсилювачі низьких і високих частот, малошумні підсилювачі, перемикачі насичені, ненасичені та малого струму; транзистори великої потужності — на три групи: підсилювачі, генератори, перемикачі. За технологічними ознаками розрізняють сплавні, сплавно-дифузійні, дифузійно-сплавні, конверсійні, епітаксіальні, планарні, епітаксіально-планарні транзистори.

Маркування Позначення типу транзистора встановлено галузевим стандартом ОСТ 11 336.919-81. Перший елемент позначає вихідний матеріал із якого виготовлений транзистор: германій чи його сполуки — Г, кремній або його сполуки — К, сполуки галію — А. Другий елемент — підклас напівпровідникового приладу. Для біполярних транзисторів другим елементом є літера Т. Третій елемент — призначення приладу (таблиця). Четвертий елемент — число від 01 до 99, що позначає порядковий номер розробки типу приладу. Допускається тризначний номер — від 101 до 999, якщо номер розробки перевищує 99. П'ятий елемент позначення — літера російського алфавіту, що визначає класифікацію за параметрами приладів, виготовлених за єдиними технологіями.

+ Третій елемент позначення транзисторівПідклас транзисторівПозначення Транзистори малої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором не більше 0,3 Вт):

з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц

з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не більше 30 МГц

з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц1

2

3 Транзистори середньої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором понад 0,3 Вт, але не більше 1,5 Вт):

з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц

з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не перевищує 30 МГц

з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц4

5

6 Транзистори великої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором понад 1,5 Вт):

з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц

з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не перевищує 30 МГц

з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц7

8

9+

Режими роботи транзистора

Загальні відомості В залежності від того, в яких станах знаходяться переходи транзистора, розрізняють режими його роботи. Оскільки в транзисторі є 2 переходи (емітерний та колекторний), і кожен із них може знаходитись в двох станах (відкритому та закритому), розрізняють чотири режими роботи транзистора. Основним є активний режим, при якому емітерний перехід знаходиться у відкритому стані, а колекторний — в закритому. Транзистори, які працюють в активному режимі, використовуються в схемах підсилення. Окрім активного виділяють інверсний режим, при якому емітерний перехід закритий, а колекторний — відкритий, режим насичення, при якому обидва переходи відкриті, та режим відсічки, при якому переходи закриті.

Першою практичною математичною моделлю біполярного транзистора була модель Еберса—Молла.

Активний режим Активному режиму роботи транзистора відповідає відкритий стан емітерного переходу і закритий колекторний перехід. В цьому режимі переходи транзистора мають різну ширину: закритий колекторний перехід значно ширший ніж відкритий емітерний перехід. Окрім наскрізного потоку електронів, в структурі в активному режимі протікає інший потік, а саме, зустрічний потік дірок, що рухаються із бази в емітер. Два зустрічних потоки (дірок та електронів) відображають ефект рекомбінації в базі. Електронний потік створюється електронами, які рухаються із емітера, однак не доходять до колекторного переходу (як електрони, що створюють наскрізний потік), а рекомбінують із дірками в базі. Дірковий потік створюється дірками, що надходять із зовнішнього кола в базу для компенсації втрати дірок внаслідок рекомбінації з електронами. Вказані потоки створюють в зовнішніх колах емітера і бази додаткові складові струмів. На рисунку також показані потоки неосновних носіїв заряду, що створюють власний тепловий струм колекторного переходу (потік електронів, що рухаються із бази в колектор, та потік дірок з колектора в базу).

Наскрізний потік є єдиним корисним потоком носіїв в транзисторі, оскільки визначає можливість підсилення електричних сигналів. Всі інші потоки не беруть участі в підсиленні сигналу, і тому є побічними. Для того щоб транзистор мав високий коефіцієнт підсилення, необхідно щоб побічні потоки були якомога слабші в порівнянні з корисним наскрізним потоком.

Інверсний режим Інверсний (інверсний активний) режим роботи біполярного транзистора аналогічний активному режиму з відмінністю лише в тому, що в цьому режимі у відкритому стані знаходиться колекторний перехід, а в закритому — емітерний.

Режим насичення В режимі насичення обидва переходи транзистора знаходяться у відкритому стані. В цьому режимі електрони і з емітера, і з колектора рухаються в базу, внаслідок чого в структурі протікають два зустрічних наскрізних потоки електронів (нормальний та інверсний).

Від співвідношення цих потоків залежить напрям струмів, що протікають в колах емітера та колектора. Внаслідок подвійного насичення бази, в ній накопичуються надлишкові електрони, внаслідок чого посилюється їх рекомбінація з дірками і рекомбінований струм бази є набагато вищим, ніж в активному чи інверсному режимах.

У зв'язку із насиченням бази транзистора і його переходів надлишковими носіями зарядів, опір останніх стає дуже маленьким. Тому електричні кола, що містять транзистор в режимі насичення можна вважати короткозамкненими.

Режим відсічки В режимі відсічки обидва переходи транзистора знаходяться у закритому стані. Наскрізні потоки електронів в цьому режимі відсутні. Через переходи транзистора протікають потоки неосновних носіїв заряду, що створюють малі некеровані теплові струми переходів. База і переходи транзистора в режимі відсічки збіднені рухомими носіями заряду, внаслідок чого їх опір є дуже високим. Тому вважають, що транзистор в режимі відсічки розриває електричне коло. Режим насичення та відсічки використовуються при роботі транзистора в імпульсних схемах.

Струми в транзисторі

Струми в біполярному транзисторі мають дві основні складові:

струм основних носіїв емітера , який частково проходить у колектор, утворюючи струм основних носіїв колектора , частково рекомбінує з основними носіями бази, утворюючи рекомбінантний струм бази ; струм неосновних носіїв колектора, який тече через зміщений зворотно колекторний перехід, утворюючи зворотний струм колектора .

Схеми включення Транзистор як активний елемент може бути представлений як чотириполюсник з двома вхідними та двома вихідними полюсами. Зважаючи, що у транзистора три виводи, один з них має бути спільним для вхідного і вихідного сигналу. Під вхідними (вихідними) полюсами розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) напруга. Схеми включення отримали назви: схема зі спільним емітером (СЕ), схема зі спільною базою (СБ) і схема зі спільним колектором (СК).

Схеми підключення транзистора характеризується такими основними показниками: коефіцієнт підсилення за струмом коефіцієнт підсилення за напругою вхідний опір вихідний опір

Схема зі спільним емітером

Схема зі спільним емітером інвертує вхідний сигнал, його характеризують такі величини:

Коефіцієнт підсилення за струмом: Вхідний опір:

Переваги: Великий коефіцієнт підсилення за струмом Великий коефіцієнт підсилення за напругою Найбільше підсилення потужності

Недоліки Гірші температурні та частотні властивості в порівнянні з іншими схемами.

Схема зі спільною базою

Схема зі спільною базою не інвертує вхідний сигнал, його характеризують такі величини: Коефіцієнт підсилення за струмом: Вхідний опір . Вхідний опір для схеми зі спільною базою малий і не перевищує 100 Ом для малопотужних транзисторів, оскільки вхідний ланцюг транзистора при цьому є відкритим емітерним переходом транзистора.

Переваги: Гарні температурні та частотні властивості Висока допустима напруга

Недоліки Підсилення за струмом близьке до 1, оскільки α < 1 Малий вхідний опір Два різні джерела напруги для живлення