Биполярные транзисторы. 
Электроника

Биполярными транзисторами (или просто транзисторами) называют полупроводниковые усилительные приборы с двумя близко расположенными и взаимодействующими между собой я-р-переходами, включенными встречно.

В простейшем случае транзистор представляет собой кристалл полупроводника, в котором имеются две области с одноименной проводимостью, разделенные узкой областью с противоположной проводимостью. Таким образом, транзисторы могут иметь структуру слоев я-р-пили р-я-р-типа.

На рис. 1.12, а приведена конструктивная схема биполярного транзистора со структурой р-я-р-типа, выполненного по методу сплавления: в основание — пластинку полупроводника (например, германия), имеющую я-проводимость, с обеих сторон вплавлен металл (например, индий), обеспечивающий получение слоев ср-проводимостями.

Пластинка-основание называется базой Б. Нижний и верхний слои принято называть, соответственно, эмиттером Э и коллектором К.

Транзисторы в настоящее время наиболее часто создают диффузионным или эпитаксиальным способом, ибо при этом получаются более плоские, резко очерченные я-р-переходы.

В частности, на рис. 1.12,6 приведены схема биполярного транзистора со структурой р-я-р-типа и его графическое изображение, а на рис. 1.12, в — схема транзистора я-р-я-типа и его графическое изображение.

Работа транзистора со структурой я-р-я-типа, включенного в электрическую цепь (рис. 1.13), происходит следующим образом. Между.

Рис. 1.12. Устройство биполярного сплавного транзистора (а), плоскостных диффузионных транзисторов (б и в) и их условные графические изображения верхней и нижней областями (коллектором К и эмиттером Э) прикладывается напряжение питания Е_к. При этом вне зависимости от его полярности ток в цепи протекать не будет, так как транзистор представляет собой как бы два включенных навстречу друг другу диода, один из которых оказывается всегда включенным в запирающем направлении.

Для того чтобы через транзистор протекал ток (при указанной на рис. 1.13 полярности подключения источника питания Е_к), необходимо или открыть верхний запертый я-/?-переход, или в средней р-области, базе, создать избыток электронов, которые беспрепятственно смогут преодолевать верхний я-/?-переход под действием приложенного к нему напряжения в положительной полярности.

Рис. 1.13. Схема включения биполярного транзистора в электрическую цепь.

Последнее можно сделать, подав напряжение Е₍, в прямой полярности на нижний и-р-переход, нейтрализовав его запирающее действие. При этом электроны, имеющиеся в нижней «-области, начнут диффундировать в p-область с дырочной проводимостью. Если толщина средней p-области очень мала, то электроны, не успев рекомбинировать с дырками, приблизятся к верхнему и-р-гтереходу и, будучи захвачены его ускоряющим полем, перейдут в верхнюю «-область, коллектор, и оттуда уйдут в источник питания ?,.

При этом в области базы возникнет нескомпенсированный положительный заряд, для нейтрализации которого из эмиттера снова и снова входят электроны, снова и снова захватываются полем коллекторного перехода и уходят в источник питания. Таким образом, в базовой области одновременно имеются в большом количестве электроны и дырки, которые могут в конце концов рекомбинировать. Для уменьшения рекомбинации толщина базовой области выполняется обычно не более 10 ³ см, в результате чего в базе рекомбинируют примерно 1−2% электронов, а остальные собираются коллектором.

Таким образом, нижняя область с «-проводимостью (эмиттер) эмитирует электроны в среднюю область (базу), откуда они собираются полем верхней области (коллектором).

Переход электронов из эмиттера в базу, а затем — в коллектор и источник питания — нарушает электрическое равновесие в области эмиттера, вследствие чего возникают силы, стремящиеся это равновесие восстановить. Это приводит к тому, что из внешней цепи взамен ушедших в базу электронов в эмиттерную область снова вводятся электроны, — но уже из источника питания ?_к.

При достаточно большом напряжении на коллекторе (получаемом за счет батареи ?_к) значение тока в цепи коллектора определяется сопротивлением нагрузки и концентрацией электронов в области базы, которая, в свою очередь, зависит от концентрации электронов проводимости в эмиттерной области и степени нейтрализации электрического ноля перехода эмигтер-база, осуществляемой за счет напряжения батареи ?-. Если напряжение этой батареи равно нулю, то тормозящее поле перехода максимально и в область базы из эмиттера входит очень мало электронов, вследствие чего и ток коллектора мал. Если напряжение батареи в цепи базы достаточно велико, то запирающее поле перехода эми гтер-база полностью скомпенсировано, концентрации электронов в эмиттерной и базовой областях практически равны и ток коллектора достигает максимального значения. При этом ток базы также максимален (и ограничивается сопротивлением R₆),

так как чем больше концентрация электронов в базовой области, тем большее число их рекомбинирует с дырками и тем больший ток должен отбираться от батареи Е₆ для восполнения рекомбинирующих дырок. Однако в правильно сконструированном транзисторе обычно ток базы многократно меньше тока коллектора.

База является управляющим электродом (и действует как бы аналогично управляющей сетке в вакуумном триоде). Однако это только формальное сходство: в электронной лампе происходит управление напряжением, а в биполярном транзисторе — управление током базы. При изменении напряжения на управляющей сетке в электронной лампе число электронов, эмитируемых катодом, практически неизменно и управляющая сетка играет роль клапана, пропускающего только часть электронного потока.

В транзисторе дело обстоит иначе: изменить ток в цепи коллектора можно только изменением концентрации носителей заряда в области базы, что достигается изменением тока, протекающего в цепи эмиттер—база.

Коэффициент усиления транзисторов по току (для схемы, приводимой на рис. 1.13) определяется выражением.

где, а = IJ1, — коэффициент передачи тока из эмигтерной области в коллекторную.

У современных транзисторов а—> 1, вследствие этого коэффициент усиления по току может доходить до нескольких тысяч.

Предельно упрощенно объяснить процесс усиления тока базы в транзисторе можно так: представим себе, что в некоторый момент времени к цепи база—эмиттер подключен источник напряжения ?_с в прямой полярности — плюс на базу, минус на эмиттер. При этом внешнее напряжение компенсирует запирающее поле n-р-перехода и через него может протекать электрический ток: электроны выходят из минусовой клеммы источника Е₆, входят в область эмиттера, оттуда переходят в область базы и уходят в источник E_t через его плюсовую клемму. Это чисто формальное объяснение прохождения тока. В действительности же все происходит несколько иначе: как только электрон выходит из источника в провод, ведущий к эмиттеру, он ведет себя уже не только как элементарная частица, передвигающаяся, «дрейфующая» по электрической цепи с некоторой, в общем-то не слишком большой скоростью, но и как электромагнитный волновой пакет. В результате этого, как только электрон входит в элемент электрической цепи, в этом элементе возникает электрическое неравновесие (поскольку появился дополнительный, «лишний» электрон), для восстановления которого из этого элемента цепи должен быть удален, «вытолкнут» электромагнитной волной вошедшего электрона один электрон. И этот процесс происходит поочередно в каждом элементе электрической цепи — по всем проводящим элементам цепи «источник — эмиттер — база — источник» распространяется электромагнитная волна возмущения, которая поочередно нарушает электрическое равновесие в элементах электрической цепи и для восстановления равновесия поочередно выталкивает электрон: из провода в эмиттер, из эмиттера — в базу, из базы — в провод, из провода — в плюсовой электрод источника.

При этом скорость электромагнитной волны зависит от проводимости элемента цепи, по которому она распространяется: если в металлических проводах (в которых чисто электронная проводимость) волна движется практически со скоростью света, то в эмиттере, имеющем меньшую, но практически чисто электронную проводимость, скорость распространения волны возмущения уменьшается. И становится существенно меньшей в базовой области, имеющей дырочную проводимость. При этом механизм прохождения электрона через базовую область выглядит примерно так: как только в область базы из эмиттера был введен электрон, по всему объему базы начинает распространяться электромагнитная волна возмущения, которая приводит к тому, что из базы в провод, идущий к плюсу источника Е₆ выталкивается «лишний» электрон и, естественно, вместо него в базе возникает дырка. Электрическое равновесие в целом во всем объеме базы таким образом восстановлено, однако при этом в базе (разных, удаленных друг от друга ее областях) одновременно существуют разноименные носители заряда — электрон и дырка — и полное электрическое равновесие в базе может наступить только тогда, когда они соединятся, рекомбинируют. Естественно, что дырка и вновь вошедший в базу электрон начинают двигаться, «диффундировать» навстречу друг другу, и поскольку они пространственно весьма далеко расположены (дырка возникает в зоне контакта базовой области с выводным проводом-электродом, а электрон может войти в базу в любой точке эмиттерного перехода), то проходит некоторое время, пока не произойдет их рекомбинация. При этом рекомбинация умышленно существенно затруднена: конструктивно база имеет очень малую толщину (доли микрометра) при достаточно большой протяженности (единицы-десятки микрометров). Если на верхний, коллекторный, переход от источника питания подается достаточно большое напряжение положительной полярности, то электрон может быть захвачен полем коллектора и уйдет в источник питания. А в базе останется дырка, электрическое равновесие таким образом в базе нарушится и для его восстановления из источника питания, через эмиттер, в базу будет втянут новый электрон, который начнет двигаться к дырке… И может быть захвачен ускоряющим полем коллекторного перехода и уйдет в источник питания… И этот процесс будет повторяется вновь и вновь — пока не произойдет рекомбинация очередного электрона и дырки. То есть одна дырка может спровоцировать вхождение в базу (а затем переход в коллектор) весьма большого (до нескольких тысяч) числа электронов.

Таким образом, если в результате подключения источника Е₆ появится некоторый, весьма малый, ток I_Ct в цепи база—эмиттер, то в цепи эмиттер — коллектор — источник питания Е_к начнет протекать весьма значительный, усиленный в несколько сотен раз ток /_к.

Работа транзистора со структурой р-п-р-типа отличается от рассмотренной выше работы транзистора со структурой п-р-п-типа тем, что процесс переноса электрического тока осуществляется дырками, и поскольку меняется знак носителей тока, то меняется и полярность питающего напряжения.

Усилительные свойства транзистора отображаются с помощью семейства вольт-амперных характеристик. Наибольший интерес представляет входная и выходная характеристики транзистора.

Под входной характеристикой понимается зависимость входного тока /_вх, потребляемого от источника сигнала, от входного напряжения U_BX при постоянном напряжении (J_K на коллекторе:

Зависимость входного тока от входного напряжения в статическом режиме достаточно точно описывается уравнением:

где Л₀ и В₀ — некоторые постоянные.

Выходная характеристика — зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе U_K при постоянном входном токе /_к = ф₂(^/_к), при /" = const.

На рис. 1.14, а приведена входная статическая характеристика транзистора (включенного в электрическую цепь по схеме, приводимой на рис. 1.13) для двух значений коллекторного напряжения: U_K = 0 и U_K = -5 В. Увеличение напряжения на коллекторе свыше 5 В приводит к очень незначительному смещению входной характеристики вправо, с которым практически можно не считаться, и для всех напряжений, больших 5 В, можно воспользоваться одной этой характеристикой.

На рис. 1.14 изображено семейство выходных («коллекторных») характеристик этого же германиевого транзистора. Для кремниевых транзисторов характеристики имеют примерно такой же вид.

Описание свойств транзистора с помощью входных и выходных статических характеристик не является достаточно полным. Статические характеристики снимаются при сравнительно медленных изменениях напряжений и токов на электродах, поэтому частотная зависимость параметров, вызываемая конечной скоростью перемещения носителей зарядов в транзисторе, не проявляется. Для более полного описания электрических свойств транзисторов применяются методы, основанные на представлении транзистора в виде электрической модели (эквивалентного четырехполюсника).

В полупроводниковой электронике наиболее часто применяются так называемые A-параметры, связывающие входное напряжение и ток с выходным напряжением и током, действующими в эквивалентном транзистору четырехполюснике (т. е. электрической схеме, имеющей четыре клеммы — полюса) (рис. 1.15):

где A-параметры имеют следующий физический смысл: А, = ?/,//, при U₂ = 0 — входное сопротивление транзистора (при коротком замыкании на выходе); A_l2 = U_l/U₂ при /, = 0 — коэффициент передачи напряжения с выхода на вход (коэффициент «обратной» связи) при разомкнутой входной цепи; А₂, = 1₂/1, при U₂ = 0 — коэффициент усиления но.

Рис. 1.14. Семейство входных (а; и выходных характеристик (б) биполярного транзистора.

Рис. 1.15. Эквивалентная схема транзистора в виде четырехполюсника.

току (при коротком замыкании на выходе); h_n = I₂/U₂ при /, = 0 — выходная проводимость (при разомкнутой входной цепи).

Значения Л-параметров зависят от схемы включения в электрическую цепь и могут быть как измерены непосредственно, так и определены по входной и выходной характеристикам.

При повышении частоты рабочего сигнала изменяются все основные параметры транзисторов и в первую очередь коэффициент усиления, который с повышением частоты уменьшается, что объясняется сравнительно небольшой скоростью движения носителей заряда и влиянием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов.

Вследствие инерционности процессов после возникновения (или изменения) тока в цепи база-эмиттер ток в коллекторной цепи возникает (изменяется) не сразу, а через некоторое время, когда закончатся переходные процессы накопления носителей заряда в области базы и на емкостях я-р-переходов. Все эти процессы особенно существенны при работе в импульсных режимах, поэтому для таких целей используются специальные «импульсные» транзисторы с минимальными собственными переходными процессами.

Параметры транзисторов сильно зависят от температуры окружающей среды. Поэтому все транзисторные схемы нуждаются в специальной стабилизации: температурной (термостатирование) или электрической (путем стабилизации рабочего режима).

Если это не сделано, то возможно нарушение работы электронной аппаратуры, особенно при значительных изменениях температуры, или даже выход ее из строя. Рабочая температура кремниевых транзисторов не должна превышать +125… + 180 °C. Германиевые транзисторы не следует применять при температурах выше +70 … +80 °С. При этом чем выше рабочая температура, тем больше вероятность теплового пробоя транзистора.

Минимальная температура, при которой транзистор может использоваться (или храниться), не должна опускаться ниже -60 … -70 °С, поскольку возможно разрушение конструкции транзистора из-за различных температурных коэффициентов сжатия-расширения используемых полупроводниковых материалов и металлов в электродах-контактах.

Существует много технологических методов создания биполярных транзисторов, из которых наибольшее применение находят методы диффузии донорных и акцепторных примесей в исходный полупроводник.

На рис. 1.16 приведены основные этапы создания планарного диффузионного биполярного транзистора со структурой я-р-я-типа в приповерхностной области пластинки полупроводника: 1) исходную пластину я,-кремния (Si) оксидируют: помещают в печь, нагревают в атмосфере чистого кислорода до температуры порядка 1000 °C и получают на ее поверхности слой диоксида кремния Si 0₂ тол щи ной порядка одного микрометра (рис. 1.16, я); 2) протравливают в этом слое «окно» (рис. 1.16, б) и проводят через это окно диффузию бора (в печи при температуре около 1100 °С), в результате чего в исходном я,-кремнии создается слой с р-проводимостью, являющийся базой создаваемого транзистора; 3) снова оксидируют поверхность кристалла и образуют «окно» меньшего размера (рис. 1.16, в) и через него проводят диффузию фосфора, в результате чего получается эмиттер, обладающий я₂-проводимостыо; 4) образуют контакты: создают (и закрывают) необходимые «окна», напыляют алюминиевые контакты в области базы Б (рис. 1.16, г) и эмиттера Э, осаждают слой никеля на область коллектора К и присоединяют к ним проволочные выводы-электроды.

На одной исходной кремниевой пластине (диаметром до 60 мм и толщиной до 0,25 мм) обычно одновременно создается до 50 тыс. планарных транзисторов. Готовая пластина разрезается на части, и от;

Рис. 1.16. Основные технологические операции создания планарного биполярного транзистора дельные транзисторы (после проверки параметров и отбраковки нестандартных экземпляров) помещаются в герметические металлические, керамические или пластиковые корпуса.

По очень похожей технологии изготавливают и различные модификации биполярных транзисторов: многоэмиттерные и многоколлекторные силовые транзисторы, транзисторы для работы на СВЧ, транзисторы для работы в цифровых устройствах и т. д.

При этом планарные технологии уже почти достигли физического предела в размерах отдельных элементов транзистора. В частности, транзисторы для работы на СВЧ имеют толщину менее 0,1 микрометра, а линейные размеры эмиттера и коллектора в них не превышают 10 микрометров. Подобного вида биполярный транзистор способен усиливать сигналы с частотами в несколько десятков гигагерц и отдавать в нагрузку мощность в несколько ватт.