2.2. Біполярні транзистори і їх використання в електронних пристроях

Транзистор (від англ. transfer – переносити і resistance – опір) – електронний напівпровідниковий прилад, який дозволяє керувати струмом, що протікає через нього, за допомогою прикладеної до додаткового електрода напруги. Зазвичай використовується для підсилення, генерування та перетворення електричних сигналів, зокрема, в логічних електронних схемах. У мікросхемах в єдиний функціональний блок об’єднані тисячі й мільйони окремих транзисторів.

Транзистори за будовою і принципом дії поділяють на два основних класи – біполярні та уніполярні. До кожного з цих класів входять численні типи транзисторів, що відрізняються за будовою і характеристиками.

В основі роботи біполярних транзисторів лежить інжекція неосновних носіїв заряду. Тому невід’ємною складовою частиною біполярного транзистора є n-p перехід. Назва «біполярний» підкреслює роль обох типів носіїв заряду (електронів та дірок) в роботі цього класу транзисторів: інжекція неосновних носіїв супроводжується компенсацією їх зарядів основними носіями.

Робота уніполярного транзистора основана на використанні тільки одного типа носіїв – основних (або електронів, або дірок). Основним способом руху носіїв є дрейф в електричному полі.

Для управління струмом у напівпровіднику при постійному електричному полі необхідно міняти або провідність напівпровідникової смуги, або її площу. На практиці використовують обидва способи, в основі яких лежить ефект поля. Тому уніполярні транзистори називають також польовими транзисторами. Смуга, по якій протікає струм, називають каналом. Звідки ще одна назва такого класу транзисторів – канальні транзистори.

В даний час в аналоговій техніці домінують біполярні транзистори (БТ) (міжнародний термін – BJT, bipolar junction transistor). Іншою найважливішою галуззю електроніки є цифрова техніка (логіка, пам’ять, процесори, комп’ютери, цифровий зв’язок і т. п.), де, навпаки, біполярні транзистори майже повністю витиснені польовими.

Предметом цього розділу є вивчення фізичних процесів у біполярних транзисторах, аналіз їх основних характеристик, схем включення та режимів роботи, ознайомлення з можливостями практичного застосування.

2.2.1. Устрій та принцип роботи біполярного транзистора.

Біполярний транзистор – це напівпровідниковий прилад, який має два зустрічно включених взаємодіючих n-p переходи. Основним елементом транзистора є кристал германія або кремнію, в якому створені три області з різним типом провідності (рис. 2.14). Дві крайні області завжди мають провідність однакового типу, протилежного типу провідності середньої області. Між середньою і крайніми областями і утворюються n-p переходи. Взаємодія переходів забезпечується тим, що вони розміщені достатньо близько один від одного – на відстані, що менша дифузійної довжини носіїв.

У реальних транзисторів площі обох n-p переходів суттєво відрізняється, що видно з рис. 2.14. Перехід n₁-р має набагато меншу площу, ніж n₂-р; крім того, в більшості транзисторів одна із крайніх областей (область з провідністю n₁) легована домішками набагато більше, ніж область з провідністю n₂.

Сильно легована область з провідністю n₁ називають емітером, а область з провідністю n₂ називають колектором. Відповідно розрізняють емітерний (n₁-р) та колекторний (n₂-р) переходи. Середній шар транзистора називають базою. Кожний із n-р переходів транзистора має донну та бокову частину.

Взаємодія між емітером та колектором забезпечується малою шириною бази. У сучасних транзисторів вона не перевищує 1 мкм, в той час як дифузійна довжина лежить у границях 5…10 мкм.

Основні властивості транзистора визначаються процесами в базі. Якщо база однорідна, то у ній є внутрішнє електричне поле і рух носіїв буде комбінованим: дифузія поєднується з дрейфом. Транзистори з однорідною базою називають бездрейфовими (або дифузійними), а з неоднорідною – дрейфовими. Останні найбільш поширені в інтегральних мікросхемах.

Т ранзистор, що зображений на рис. 2.14, характерний тим, що його крайні області (емітер та колектор) мають провідність n-типу, а середня область (база) – провідність р-типу. Транзистори з такою структурою називають n-р-n–транзисторами. У мікроелектроніці вони відіграють основну роль. Крім того використовуються транзистори, у яких емітер та колектор мають провідність р-типу, а база – провідність n-типу. Транзистори з такою структурою називають р-n-р–транзисторами. По принципу дії вони нічим не відрізняються від n-р-n–транзисторів, але їм властиві інші полярності робочих напруг, а також ряд кількісних особливостей. Транзистори р-n-р не мають у мікроелектроніці самостійного значення, тобто не використовуються замість n-р-n транзисторів у схемах одного і того ж класу. Але вони відкривають можливість комбінування n-р-n та р-n-р транзисторів в одній і тій же схемі. Така комбінація у деяких випадках забезпечує спрощення структури та оптимізацію параметрів відповідних схем. Транзистори n-р-n та р-n-р у таких схемах, а також самі схеми такого типа називають комплементарними (доповнюючими). Умовні позначення транзисторів обох типів наведена на рис. 2.15.

Маркування транзисторів складається з шести елементів.

Перший елемент (буквений або цифровий) означає вихідний матеріал, з якого виготовлений напівпровідниковий елемент транзистора: Г або 1 – германій, К або 2 – кремній, А або 3 - арсенід галію. Буквені позначення мають прилади, що працюють при понижених температурах (германієві – до –60, кремнієві – до –85°С), а цифрові – прилади, що працюють при підвищених температурах (германієві – до +70, кремнієві – до +120 C).

Другий елемент – буква Т – привласнюється всім транзисторам, за виключенням польових, у яких другим елементом є бук­ва П.

Третій елемент (цифровий) характеризує потужність і діапа­зон частот транзистора.

Четвертий і п’ятий елементи (цифровий) позначають порядковий номер розробки – від 01 до 99.

Шостий елемент (буквений) позначає різновид даної групи приладів, відмінний одним або кількома параметрами, що не є класифікаційними.

Принцип роботи транзистора заснований на управлінні струмами електродів підведеними до n-p переходів напругами. У загальному випадку ця залежність є складною, тому розглянемо роботу транзистора на спрощеній моделі n-p-n транзистора без урахування ряду чинників, що впливають на його властивості.

При відсутності напруг U_БЕ і U_БК на кожному з переходів (див. розділ 1.3, рис. 1.6) утворюється потенціальний бар’єр з різницею потенціалів U₀. Полярності напруг, утворених на переходах, показані на рис. 2.16-а, а еквівалентна схема заміщення транзистора – на рис. 2.16-б.

а) б)

Рис. 2.16.

При підключенні зовнішнього джерела напруги U_КБ до колекторного переходу (позитивним полюсом до колектора, негативним – до бази) напруга на переході «база-колектор» збільшиться до рівня (U₀ + U_КБ) і, оскільки зовнішнє поле співпадає з напрямом поля U₀, цей перехід буде закритий. Колекторний струм при цьому визначається лише незначною дифузією вільних електронів з колектора в базу для підтримки рівня U₀ потенціального бар’єра і складає в залежності від типу транзистора 0,1%…1% струму колектора при відкритому переході.

При підключенні зовнішнього джерела напруги U_БЕ до емітерного переходу (позитивним полюсом до бази, негативним – до емітера) напруга на переході «емітер-база» зменшиться до рівня (U_БЕ – U₀), оскільки зовнішнє поле протилежне напряму поля U₀. Звичайно |U_БЕ| << |U_КБ|. Коли прикладена напруга U_БЕ перевищить рівень потенціального бар’єра U₀, перехід «емітер-база» відкриється і через нього почне протікати струм емітера І_Е. При цьому вільні електрони з області n емітера переходять в область р бази (інжекція електронів) і, оскільки геометричні розміри бази дуже малі, підпадають під дію напруги (U₀ + U_КБ) на колекторному переході, яка сприяє їх вільному переходу в область n колектора (екстракція електронів). Одночасно дірки бази будуть переходити в область емітера. Таким чином утворюється струм І_К.

Природно, що в області бази незначна частина вільних електронів дістанеться електрода бази і утворить струм бази І_Б. Очевидно, що чим менше товщина бази, тим менше І_Б і тим ближче величина І_К до величини І_Е. Однак в будь якому випадку І_Е = І_Б + І_К, або І_Б = І_Е – І_К, або І_К = І_Е – І_Б.

Отже, в n-p-n транзисторі при підключені до бази додатної відносно емітера напруги з’являється колекторний струм І_К, якщо до колектора прикладена відносно бази додатна напруга. Змінюючи значення напруги U_БЕ і, отже, величину струму І_Б, можна змінювати значення І_К, що протікає в колекторному колі.

Аналогічні явища відбуваються в p-n-p транзисторі. Підключення зовнішніх джерел забезпечує включення емітерного переходу в прямому напрямку, а колекторного – в зворотному. Через емітерний n-p перехід здійснюється інжекція дірок з емітера в область бази. Одночасно електрони бази будуть проходити в область емітера. Оскільки в транзисторах концентрація носіїв зарядів в базі значно менша, ніж в емітері, то це призводить до того, що кількість дірок, інжектованих в базу, на багато перевищує кількість електронів, що рухаються в протилежному напрямку. Отже, майже весь струм через емітерний n-p перехід в p-n-p транзисторі зумовлений дірками. Потрапивши в базу, для якої дірки є неосновними носіями заряду, незначна частина дірок рекомбінує з електронами, утворюючи базовий струм І_Б. Переважна ж більшість дірок встигають пройти через тонкий шар бази, досягти колектора і потрапити під дію прискорюючого для них електричного поля колекторного переходу. В результаті екстракції дірки швидко втягуються із бази в колектор і беруть участь в утворені струму колектора.

Хоча електрони і дірки рухаються в протилежних напрямах, струми колах транзисторів обох типів мають один напрям, що збігається з напрямом руху носіїв позитивних зарядів – дірок. Якщо врахувати, що протилежний напрям руху електронів і дірок компенсується їх протилежним знаком, то при утворені струму в колах транзистора мова може йти не про різницю, а саме про суму електронної і діркової складових.

Для оцінки впливу струму І_Е на струм І_К введено поняття коефіцієнта передачі за струмом  в схемі із спільною базою. Саме ця схема показана на рис. 8.16-а, де обидві напруги (емітерна – U_БЕ і колекторна – U_КБ) подаються на емітер і колектор відносно бази. Величина  визначається при такій схемі включення за формулою  = І_К / І_Е і завжди менша 1, оскільки колекторний струм є частиною емітерного. Чим «тонша» база, тим коефіцієнт передачі за струмом  ближчий до 1.

Якщо управляти базовим струмом І_Б, змінюючи додатну напругу U_БЕ відносно емітера, забезпечуючи при цьому постійну додатну напругу U_КЕ (така схема включення називається «схемою із спільним емітером»), то в цьому випадку можна записати І_Б = І_Е – І_К = І_Е(1 – ).

Ввівши позначення  = І_К / І_Б і поділивши обидві частини попереднього рівняння на І_К, отримуємо: 1 /  = (1 – ) / , звідки  =  / (1 – ).

Величина  = І_К / І_Б називається коефіцієнтом підсилення за струмом в схемі із спільним емітером. Очевидно, що при  < 1 завжди  > 1 і чим ближче  до 1, тим вище значення . В реальних конструкціях біполярних транзисторів  = 0,95…0,995, що забезпечує  = 20…1000.