Біполярний транзистор

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.

	PNP
	NPN

Схематичні позначення
транзисторів типів PNP та NPN

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 транзистора.

Будова

Поперечний розріз транзистора

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 класифікуються 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 транзисторів

Підклас транзисторів	Позначення
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 МГц	1 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 МГц	4 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 МГц	7 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.

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 наступними основними показниками:

• коефіцієнт підсилення по струму n=dI_вих/dI_вх
• коефіцієнт підсилення по напрузі n=dU_вих/dU_вх
• вхідний опір R_вх=dU_вх/dI_вх
• вихідний опір R_вх=dU_вих/dI_вих

Схема зі спільним емітером

Підсилювальний каскад за схемою підключення транзистора зі спільним емітером на основі npn-транзистора

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

$I_{\text{вих}}=I_{\text{к}}$

$I_{\text{вх}}=I_{\text{б}}$

$U_{\text{вх}}=U_{\text{бе}}$

$U_{\text{вих}}=U_{\text{ке}}$

• Коефіцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_к/I_б=I_к/(I_е-I_к) = α/(1-α) = β [β>>1]
• Вхідний опір: R_вх=U_вх/I_вх=U_бе/I_б

Переваги:

• Великий коефіцієнт підсилення по струму
• Великий коефіцієнт підсилення по напрузі
• Найбільше підсилення потужності

Недоліки

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

Схема зі спільною базою

Підсилювальний каскад за схемою зі спільною базою на основі npn-транзистора

Схема зі спільною базою не інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини:

• Коефіцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_к/I_е=α [α<1]
• Вхідний опір R_вх=U_вх/I_вх=U_бе/I_е.

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 по струму близьке до 1, оскільки α < 1
• Малий вхідний опір
• Два різні джерела напруги для живлення

Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач)

Емітерний повторювач на основі npn-транзистора

Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач) не інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини: Вихідні дані

$I_{\text{вих}}=I_{\text{е}}$

$I_{\text{вх}}=I_{\text{б}}$

$U_{\text{вх}}=U_{\text{бк}}$

$U_{\text{вих}}=U_{\text{ке}}$

• Коефіцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_е/I_б=I_е/(I_е-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1]
• Вхідний опір: R_вх=U_вх/I_вх=(U_бе+U_ке)/I_б

Переваги

• Великий вхідний опір
• Малий вихідний опір

Недоліки

• Коефіцієнт підсилення по напрузі менше 1

Власні шуми в транзисторах

Джерелами шумів в транзисторі є:

• електронно-діркові переходи;
• активні складові областей бази, емітера і колектора;
• випадкові перерозподіли струму між колектором і базою;
• неоднорідності напівпровідникового матеріалу.

Відповідно до теорії шумових властивостей транзисторів, основну роль в транзисторах грають: флікер-шум, дробовий, теплові шуми, шуми поділу, тощо. Розглянемо ці шуми більш детальніше, припускаючи, що транзистор працює в режимі малого сигналу.

У транзисторах флікер-шум спостерігається на низьких частотах (менше 1 кГц). Спектральна щільність потужності цього шуму пропорційна $1/f$, де $f$ — частота. Джерелом низькочастотних шумів в транзисторі є носії електричного заряду в середині р-n-переходу і на його поверхні під дією температури, прикладеного електричного поля, а також в результаті зіткнення нейтральних атомів напівпровідника або домішок з керованим потоком основних носіїв заряду. Кількість носіїв, збуджених за даний проміжок часу, є випадковою, а створений ними струм — флуктуаційним. Коефіцієнт шуму може бути визначений за формулою:

$K_{\text{ш}}={\frac {U_{\text{ш}}^{2}}{U^{2}}}$

де $U$ — напруга джерела сигналу, підключеного до входу транзистора; Так як площа колекторного переходу зазвичай набагато більше площі емітерного переходу, низькочастотний шум в основному проявляється в колекторному переході Зазвичай флікер-шум виникає в результаті погано оброблених поверхонь кристала і в місцях омічних контактів виводів і кристала. При шліфуванні кристал має менший флікер-шум ніж при травленні його поверхні. Для зниження цього шуму необхідно зменшити щільність струму на одиницю поверхні, використовувати планарні транзистори і транзистори з високим ступенем технологічної обробки поверхні. Крім того, в схемах підсилювачів доцільно використовувати транзистори р-n-р типу, що мають менший рівень низькочастотного шуму, ніж транзистори n-р-n-типу. У ряді випадків спеціальні вимірювання флікер-шуму на частоті $f$ = 1 кГц і нижче дозволяють прогнозувати надійність транзисторів і визначати ряд дефектів в них: погані контакти, тріщини, тощо. Тепловий шум транзистора викликаний хаотичним рухом носіїв в середині напівпровідника. Цей шум, на відміну від надлишкового шуму, існує навіть за відсутності електричного струму. На середніх і високих частотах основними джерелами шуму в транзисторі є дробові шуми в емітерному та колекторному переходах, тепловий шум опору бази і шуми струмо-розподілу, пов'язані з випадковим характером розподілу емітерного струму між колектором і базою.

Коефіцієнт шуму залежить також від опору джерела сигналу, при цьому існує оптимальний опір і оптимальне значення струму емітера.

Умови, за яких коефіцієнт шуму має мінімальне значення, можуть не збігатися з умовами отримання максимального коефіцієнта посилення. Для зниження дробових шумів рекомендується використовувати транзистори з малим зворотним струмом, а також працювати при порівняно невисоких температурах і невеликих струмах емітера.

Випадковий характер процесів рекомбінації носіїв в області бази транзистора є причиною появи шуму пов'язаного з перерозподілом струму емітера. Існують й інші типи шумів в транзисторах — це шуми опромінення, що виникають при опроміненні транзистора швидкими частинками, шуми лавинного пробою, що виникають при високому, близькому до пробивного рівню зворотної напруги на переході, вибухові шуми і тощо. Однак в транзисторі основними шумами є надлишкові — тепловий, дробовий і шуми поділу.

Див. також

• Транзистор
• КТ315
• Транзистор метал-діелектрик-напівпровідник
• Польовий транзистор

Джерела

• Напівпровідникові прилади : підручник / Л. Д. Васильєва, Б. І. Медведенко, Ю. І. Якименко . — К. : Кондор, 2008. — 556 с. — ISBN 966-622-103-9.
• Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. — К. : Наукова думка, 1988. — С. 183—191.(рос.)
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.