Биполярные транзисторы. 
Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники

Биполярный транзистор (transistor — transfer resistor — изменяемое сопротивление) является одним из важнейших активных полупроводниковых приборов. Транзистор изобретен в 1947 г. группой исследователей (Бардин, Браттейн, Шокли) фирмы «Bell Laboratories» (США) [1 ], удостоенных за это Нобелевской премии, но физике. В 1949 г. опубликована классическая работа У. Шокли по теории транзисторов [2]. Непрерывное совершенствование технологии и параметров биполярных транзисторов привело к созданию на их основе первых интегральных схем. В настоящее время биполярные транзисторы наряду с МДПТ являются основными активными приборами микроэлектроники.

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Устройство биполярного транзистора

Устройство биполярного транзистора (БТ) схематически показано на рис. IV. 1.1, а. Транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом проводимости слоев. На рис. IV. 1.1, а показан п-р-п транзистор. В р-п-р транзисторе слои имеют обратный тип проводимости. В дальнейшем для определенности мы будем рассматривать п-р-п транзисторы.

В структуре транзистора могут быть выделены следующие области:

• • база — промежуточный полупроводниковый слой (р-типа на рис. IV. 1.1, а);
• • эмиттер и коллектор — крайние полупроводниковые слои («-типа на рис. IV. 1.1, а);

Рис. IV.1.1. Устройство биполярного транзистора (а) и попытка его имитации двумя встречно включенными диодами (б)

• эмиттерный и коллекторный р-п переходы шириной.

К и 1_С

• омические контакты эмиттера, базы и коллектора с соответствующими электродами Е (emitter), В (base), С (collector).

База, эмиттер и коллектор представляют собой электронейтральные области шириной w_B, w_E и w_c со средними результирующими концентрациями примеси N_B, N_E и N_c, соответственно. Эмиттер всегда легирован значительно сильнее, чем база (обычно в 50—1000 раз); коллектор может быть легирован сильнее или слабее, чем база.

Эмиттерный и коллекторный р-п переходы есть области пространственного заряда (ОПЗ), обедненные носителями заряда. Обычно площадь эмиттерного перехода меньше, чем коллекторного.

Из рис. IV. 1.1, а очевидно, что биполярный транзистор, как и МДПТ, является обратимым прибором — эмиттер и коллектор можно поменять местами, сохранив принципиальную работоспособность прибора. Однако в связи с несимметричностью реальных транзисторов (степень легирования, площадь р-п переходов) при такой инверсии усилительные свойства транзистора резко ухудшаются.

Электрическое состояние транзистора определяется тремя напряжениями и тремя токами:

где V_E, V_c и V_B — потенциалы эмиттера, базы и коллектора.

Напряжения и токи связаны уравнениями Кирхгоффа:

где положительные направления токов п напряжений указаны на рис. IV. 1.1 , а.

Для р-п-р транзистора положительные направления токов противоположны, а порядок индексов у напряжений инвертирован (например, V_EB = V_E-V_B). ВАХ транзистора описываются уравнениями, связывающими токи с напряжениями,.

Таким образом, электрическое состояние транзистора определяется двумя независимыми переменными.

Заметим сразу, что внешние напряжения V_BE и V_BC между электрическими выводами транзистора отличаются от внутренних напряжений V_be и V_bc на эмиттерном и коллекторном переходах вследствие падений напряжений на сопротивлениях электронейтральных областей эмиттера, коллектора и базы от токов 1_Е, 1_С и /_в.