Раскройте понятие биполярный транзистор. Опишите его устройство, принцип действия и применения

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда, и пригодный для усиления мощности электрических сигналов.

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника, имеющих разную проводимость, различают транзисторы р-n-р- и n-р-n-типа. Принцип их работы одинаков, различие заключается только в полярности источников внешних напряжений и в направлении протекания токов через электроды.

Устройство. Биполярным транзистором называется электронный прибор с двумя взаимодействующими p-n -переходами и тремя или более выводами. P-n-переходы образуются тремя близко расположенными областями с чередующимися типами электропроводности: p-n-p или n-p-n. Такие транзисторы называют биполярными, так как их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок.

Большинство биполярных транзисторов изготавливается на основе кремния. Чаще используется структура n-p-n, так как в этом случае основными носителями являются электроны, а они более подвижны чем дырки. Ниже будут рассматриваться в основном биполярные транзисторы типа n-p-n, однако выводы в основном справедливы и для биполярных транзисторов типа p-n-р, с той лишь разницей, что прямое и обратное напряжение у них имеют противоположный знак по сравнению с n-p-n.

Несмотря на кажущуюся симметрию структуры биполярного транзистора по отношению к базе, p - n -переходы его несимметричны. Область эмиттера имеет более высокую концентрацию основных носителей по сравнению с коллектором. Часто область эмиттера обозначают с плюсом: n+ - эмиттер, n – коллектор, подчеркивая тем самым более высокую концентрацию электронов в эмиттере. Эмиттер выполняет роль поставщика основных носителей заряда к коллектору. Из-за большой концентрации электронов эмиттер имеет высокую проводимость (или малое объемное сопротивление). База является более высокоомной областью по сравнению с эмиттером. Основных носителей в ней – дырок – здесь мало. Однако дырки являются неосновными носителями в областях эмиттера и коллектора.

К эмиттерно-базовому переходу обычно прикладывается относительно небольшое прямое напряжение. Поэтому мощность, рассеиваемая в области эмиттера, сравнительно невелика, коллекторный переход находится обычно под достаточно большим обратным напряжением, что приводит к большой мощности, рассеиваемой в нем. Поэтому этот коллекторный переход имеет гораздо большую площадь по сравнению с эмиттером.

По конструкции и технологии изготовления различают биполярные транзисторы сплавные, эпитаксиально-диффузионные, планарные.

Рабочей областью транзистора является так называемая активная область кристалла, расположенная непосредственно под эмиттерным переходом. Необходимое взаимодействие между переходами обеспечивается малой толщиной базы, которая у современных транзисторов меньше диффузионной длины L и не превышает нескольких микрометров. При этом ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. База транзистора может быть легирована неравномерно и равномерно по своему объему. В базе с неравномерным распределением атомов примеси (неоднородная база) образуется внутреннее электрическое поле, приводящее к дрейфу носителей заряда и ускорению движения носителей через базу. В однородной базе движение носителей связано только с диффузией. Поэтому первый тип транзисторов называют дрейфовыми, а второй – бездрейфовыми. Дрейфовые транзисторы более быстродействующие.

Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые триоды, и не являются простыми заменителями последних: их можно использовать не только для усиления и генерации переменного тока, но и в качестве ключевых элементов. Определение "биполярный" указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух сортов (электроны и дырки).

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный - в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный - открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты. В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим n-p-n транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передает ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10 − 1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.