Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Обозначение биполярных транзисторов на схемах электрических принципиальных показано на рисунке 2.16.

Рис. 2.16. Обозначение биполярных транзисторов на схемах электрических принципиальных.

Биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Первые транзисторы были точечными т.е. основанные на точечных контактах металлических электродов с кристаллическим полупроводником. Точечные транзисторы имели множество недостатков–низкая надежность, высокая трудоемкость изготовления, высокая стоимость, что определило тупиковый путь конструкции, хотя был налажен серийный выпуск транзисторов, который продолжался около 10 лет. В СССР точечный транзистор был создан в 1949 году, а в 1950–1952 гг началось серийное производство. Перспективной оказалась концепция плоскостного транзистора в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно- транзисторную и диодно-транзисторную логику. Схематическое устройство транзистора показано на рисунке 2.17.

Рис. 2.17. Схематическое устройство транзистора.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы. На рисунке 2.18 приведена конструкция транзистора, выполненного по планарной технологии.

Рис. 2.18. Структура транзистора, выполненного по планарной технологии.

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам - большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность экстракции неосновных носителей заряда в коллектор и т.к. в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, что увеличивает тепловыделение, способствует отводу тепла от коллектора), поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

Для биполярных транзисторов различают следующие режимы работы: