Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор был назван так, потому что его работа предполагает движение двух носителей заряда: электронов и дырок в одном и том же кристалле. Первый биполярный транзистор был изобретен в Bell Labs Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином в конце 1947 года, и поэтому публикации о нем не появлялись до 1948 года. Таким образом, многие тексты различаются по дате изобретения. Браттейн изготовил германиевый точечный транзистор, который имел некоторое сходство с точечным диодом. В течение месяца у Шокли появился более практичный плоскостной биполярный транзистор, который мы опишем ниже. В 1956 году за изобретение транзистора они были удостоены Нобелевской премии по физики.

Биполярный транзистор, показанный на рисунке ниже (a), – это NPN трехслойный полупроводниковый сэндвич с эмиттером и коллектором на концах и базой между ними. Это как если бы к двухслойному диоду был добавлен третий слой. Но если бы это было единственным требованием, было бы достаточно иметь пару расположенных «спина к спине» диодов. Да и изготовить пару диодов, расположенных «спина к спине», гораздо проще. Но основой изготовления биполярного транзистора является создание среднего слоя, базы, такого тонкого насколько это возможно без замыкания внешних слоев, эмиттера и базы. Невозможно переоценить важность тонкой области базы.

Полупроводниковый прибор на рисунке ниже (a) имеет два перехода, между эмиттером и базой и между базой и коллектором, и две обедненные области.

На переход база-коллектор биполярного транзистора принято подавать обратное смещение, как показано на рисунке выше (b). Обратите внимание, что это увеличивает ширину обедненной области. Напряжение обратного смещения для большинства транзисторов может находиться в диапазоне от нескольких вольт до десятков вольт. В данный момент в коллекторной цепи нет тока, кроме тока утечки.

На рисунке ниже (a) добавлен еще один источник напряжения в цепь между эмиттером и базой. Обычно мы прикладываем к переходу эмиттер-база прямое смещение, преодолевающее потенциальный барьер 0,6В. Это похоже на прямое смещение полупроводникового диода. Источник напряжения должен превышать 0,6В, чтобы основные носители (электроны для NPN) начали протекать от эмиттера в базу, становясь неосновными носителями заряда в полупроводнике P-типа.

Если бы область базы была толстой, как в паре расположенный «спина к спине» диодов, весь ток, поступающий в базу, утекал бы через вывод базы. В нашем примере NPN транзистора электроны, выходящие из эмиттера в базу, будут объединяться с дырками в базе, освобождая место для большего числа дырок, которые будут созданы на (+) выводе батареи, подключенного к базе, как только электроны уйдут.

Однако база изготавливается тонкой. Несколько основных носителей в эмиттере, введенных как неосновные носители в базу, действительно рекомбинируют. Смотрите рисунок ниже (b). Несколько электронов, введенных эмиттером в базу NPN транзистора, попадают в дырки. Также несколько электронов, вошедших в базу, потекут напрямую через базу к положительной клемме батареи. Большая часть эмиттерного потока электронов диффундирует через тонкую базу в коллектор. Кроме того, изменение небольшого тока базы приводит к большим изменениям тока коллектора. Если напряжение на базе падает ниже примерно 0,6 вольт для кремниевого транзистора, то перестает течь большой ток эмиттер-коллектор.

На рисунке ниже мы более внимательно рассмотрим механизм усиления тока. У нас есть увеличенный вид переходов биполярного NPN транзистора с акцентом на тонкую область базы. Хотя это не показано, мы предполагаем, что подключены внешние источники напряжения: (1) прямое смещение перехода эмиттер-база, (2) обратное смещение перехода база-коллектор. Электроны, основные носители, входят в эмиттер от клеммы (-) батареи. Ток базы соответствует электронам, покидающим вывод базы к выводу (+) батареи. Впрочем, это небольшой ток по сравнению с током эмиттера.

Основными носителям внутри эмиттера N-типа являются электроны, становящиеся неосновными носителями, когда входят в базу P-типа. У этих электронов, попадающих в тонкую базу P-типа, есть четыре возможных варианта. Несколько электронов (на рисунке (a) выше) попадают в дырки в базе, что способствует протеканию тока к выводу базы от клеммы (+) батареи. Это не показано, но дырки в базе могут диффундировать в эмиттер и объединяться с электронами, способствуя протеканию тока через вывод базы. Несколько (b) протекают через базу к выводу (+) батареи, как если бы база была просто резистором. Обе группы электронов, и (a) и (b), вносят очень маленький вклад в ток базы. Для маломощных транзисторов ток базы обычно составляет 1% от тока эмиттера или коллектора. Большая часть электронов эмиттера диффундирует сквозь тонкую базу (c) в обедненную область база-коллектор. Обратите внимание на полярность обедненной области, окружающей электрон на рисунке (d). Сильное электрическое поле быстро сметает электрон в коллектор. Сила поля пропорциональна напряжению батареи коллектора. Таким образом, 99% эмиттерного тока поступает в коллектор. Он управляется током базы, который составляет 1% от тока эмиттера. Это потенциальное усиление тока в 99 раз, отношение I_К/I_Б, также известное как бета β.

Это потрясающе, распространение 99% носителей эмиттера через базу возможно, только если база очень тонкая. Что было бы с основными носителями эмиттера, если бы база была в 100 раз толще? Можно было бы ожидать увеличения рекомбинации, число электронов, попадающих в дырки, было бы намного больше. Может быть 99%, а не 1%, попало бы в дырки, никогда не достигнув коллектора. Второй момент состоит в том, что ток базы может управлять 99% тока эмиттера, только если 99% тока эмиттера диффундирует в коллектор. Если бы весь ток вытекал из базы, никакое управление не было бы возможно.

Еще одна особенность, необходимая для передачи 99% электронов из эмиттера в коллектор, заключается в том, что реальные биполярные транзисторы используют небольшой сильно легированный эмиттер. Высокая концентрация электронов эмиттера заставляет больше электронов диффундировать в базу. Более низкая концентрация легирующей примеси в базе означает, что меньшее количество дырок диффундирует в эмиттер, которые могли бы увеличить ток базы. Распространение носителей заряда от эмиттера к базе пользуется большим преимуществом.

Тонкая база и сильно легированный эмиттер помогают сохранить высокую эффективность эмиттера, например, 99%. Это соответствует тому, что 100% тока эмиттера разделяется между базой (1%) и коллектором (99%). Эффективность эмиттера известна, как α = I_К/I_Э.

Биполярные транзисторы могут иметь структуру как NPN, так и PNP. Мы приведем сравнение этих двух структур на рисунке ниже. Разница заключается в полярности PN-переходов база-эмиттер, что и обозначено направлением стрелки эмиттера на условном графическом обозначении. Она указывает в том же направлении, как и стрелка анода диода, противоположно направлению движения электронов.

Смотрите условное обозначение на изображении в P-N переход. Начало стрелки и ее конец соответствуют полупроводникам P-типа и N-типа, соответственно. Для эмиттеров NPN и PNP транзисторов стрелка указывает по направлениям от базы и к базе, соответственно. На условном обозначении нет стрелки на коллекторе. Тем не менее, переход база-коллектор имеет ту же полярность, как диод, что и переход база-эмиттер. Обратите внимание, что мы говорим о полярности диода, а не источника питания.

Источники напряжения для PNP транзисторов перевернуты по сравнению с NPN транзисторами, как показано на рисунке выше. Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении в обоих случаях. На базу PNP транзистора подается отрицательное смещение (b), по сравнению с положительным (a) для NPN транзистора. В обоих случаях переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Источник питания коллектора PNP транзистора имеет отрицательную полярность, по сравнению с положительной для NPN транзистора.

Обратите внимание, что биполярный транзистор (BJT) на рисунке (a) выше имеет сильное легирование в эмиттере, обозначенное N⁺. База обладает нормальным уровнем P-легирования. База намного тоньше, чем показано на рисунке поперечного сечения не в масштабе. Коллектор легирован слабо, что обозначено с помощью N^-. Коллектор должен быть легирован так слабо, чтобы переход коллектор-база обладал высоким напряжением пробоя. Это приводит к высокому допустимому напряжению источника питания коллектора. Напряжение пробоя у маломощных кремниевых транзисторов составляет 60-80 вольт. Для высоковольтных транзисторов оно может достигать сотен вольт. Коллектор также должен быть сильно легирован для уменьшения резистивных потерь, если транзистор должен работать с большими токами. Эти противоречивые требования удовлетворяются за счет более сильного легирования коллектора в области металлического контакта. Коллектор около базы легирован слабо по сравнению с эмиттером. Сильное легирование в эмиттере дает низкое напряжение пробоя перехода эмиттер-база, которое составляет примерно 7 вольт для маломощных транзисторов. Сильнолегированный эмиттер делает переход эмиттер-база при обратном смещении, похожим по характеристикам на стабилитрон.

Основание биполярного плоскостного транзистора, пластина из полупроводника, – это коллектор, установленный (в случае мощных транзисторов) на металлическом корпусе. То есть, металлический корпус электрически соединен с коллектором. Основание маломощных транзисторов может быть заключено в эпоксидную смолу. В мощных транзисторах алюминиевые соединительные провода подключаются к базе и эмиттеру и соединяются с выводами корпуса. Основания маломощных транзисторов могут устанавливаться непосредственно на выводящих проводниках. На одном кристалле может быть изготовлено несколько транзисторов, что будет называться интегральной схемой. Коллектор даже может быть установлен не на корпусе, а на выводе. Интегральная схема может содержать внутренние проводники, соединяющие транзисторы и другие интегрированные компоненты. Встроенный биполярный транзистор, показанный на рисунке (c) выше, намного тоньше, чем показано на рисунке «не в масштабе». Область P⁺ изолирует несколько транзисторов в одном кристалле. Алюминиевый слой металлизации (не показан) соединяет между собой несколько транзисторов и другие компоненты. Область эмиттера сильно легирована N⁺ по сравнению с базой и коллектором для того, чтобы повысить эффективность эмиттера.

Дискретные PNP транзисторы почти столь же высокого качества, как и NPN транзисторы. Тем не менее, интегрированные PNP транзисторы не так хороши, как NPN в аналогичном кристалле интегральной схемы. Таким образом, интегральные схемы по максимуму используют NPN транзисторы.

Подведем итоги

• Биполярные транзисторы проводят ток, используя и электроны, и дырки в одном приборе.
• Функционирование биполярного транзистора, как усилителя тока, требует, чтобы на переход коллектор-база было подано обратное смещение, а на переход эмиттер-база – прямое.
• Транзистор отличается от пары соединенных «спина к спине» диодов тем, что база (центральный слой) очень тонкая. Это позволяет основным носителям заряд из эмиттера диффундировать, как неосновные носители, через базу в обедненную область перехода база-коллектор, где их подбирает сильное электрическое поле.
• Эффективность эмиттера улучшается более сильным легированием по сравнению с коллектором. Эффективность эмиттера: α = I_C/I_E, составляет 0,99 для маломощных транзисторов.
• Усиление по току: β=I_C/I_B, для маломощных транзисторов лежит в диапазоне от 100 до 300.

Теги