Транзистор с биполярным переходом или просто биполярный транзистор (БП) так называется, потому что принцип его работы построен за счёт перемещения обоих носителей: в одном кристалле движутся и электроны и «дырки». Первый биполярный транзистор в компании «Bell Labs» разработали Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин в конце 1947 года, первые публикации датируются 1948 годом. Поэтому год изобретения (то ли 1947 год, то ли 1948) может разниться в разных источниках. Браттейн изготовил германиевый транзистор с точечным контактом, чем-то напоминающий диод с точечным контактом. Через месяц у Шокли появился более практичный переходной транзистор, о котором мы расскажем чуть ниже в этом разделе. В 1956 году учёные были удостоены Нобелевской премии по физике.
Транзистор с биполярным переходом, показанный на рисунке 1.а ниже – это трёхслойный полупроводниковый N-P-N-«сэндвич» с эмиттером и коллектором на противоположных концах и базой между ними. По сути, к двухслойному диоду добавлен третий слой. Но если всё было бы так просто, то не стоило бы заморачиваться с трёхслойностью, а можно было бы просто совместить два диода противоположными сторонами. Ключевая идея транзистора с биполярным переходом состоит в том, что средний слой (база), делается как можно более тонким, без закорачивания внешних слоёв (эмиттера и коллектора). Невозможно переоценить важность тонкой базовой области.
БП-переходы
Устройство на рисунке 1.а ниже имеет пару переходов, эмиттер/база и база/коллектор, а также две обеднённые области:
Рис. 1. (а) Биполярный транзистор с N-P-N-переходом; (б) подача обратного включения к переходу база/коллектор.
Обычно имеет место обратное включение перехода база/коллектор в биполярном транзисторе, как показано на рисунке 1.б выше. Обратите внимание, что это увеличивает ширину обеднённой области. Напряжение обратного включения может составлять от нескольких вольт до десятков вольт. Для большинства транзисторов в цепи коллектора нет протекания тока, за исключением тока утечки.
На рисунке 2.а ниже к базовой цепи эмиттера добавлен источник напряжения. Обычно мы включаем в прямом направлении переход эмиттер/база, преодолевая потенциальный барьер 0,6 В. Это аналогично прямому включению переходного диода. Этот источник напряжения должен превышать 0,6 В, чтобы основные носители (электроны для N-P-N) перетекали из эмиттера в базу, становясь неосновными носителями в полупроводнике P-типа.
Если бы область базы была толще (так было бы, если бы вместо трёхслойного диода соединили разными сторонами пару обычных двухслойных), весь ток, входящий в базу, утекал бы из вывода базы. В нашем примере с N-P-N-транзистором электроны, покидающие эмиттер для базы, объединяются с «дырками» в базе, по мере выхода электронов освобождая место для создания большего количества «дырок» на (+) клемме батареи, подключённой к базе.
Однако база изготавливается тонкой. Небольшая часть основных носителей в эмиттере, введённые в качестве неосновных носителей в базу, фактически рекомбинируют (см. рисунок 2.б ниже). Немногочисленные электроны, введённые эмиттером в базу N-P-N-транзистора, попадают в «дырки». Кроме того, малое количество электронов, попадающих в базу, проходит непосредственно через базу к положительной клемме аккумулятора. Бо́льшая часть эмиттерного тока электронов диффундирует через тонкую базу в коллектор. Более того, модуляция малого тока базы приводит к большему изменению тока коллектора. Если базовое напряжение для кремниевого транзистора падает ниже примерно 0,6 В, большой ток на переходе эмиттер/коллектор перестаёт течь.
Рис. 2. Биполярный N-P-N-транзистор с обратным включением коллектор/база: (a) добавление прямого включения к переходу база/эмиттер приводит к (б) небольшому току базы и большим токам эмиттера и коллектора.
Усиление тока в БП
С помощью рисунка 3 ниже мы более подробно рассмотрим механизм усиления тока. На изображении N-P-N-транзистора увеличенный акцент сделан на тонкую базовую область. Хотя это и не показано, предполагается, что подключены внешние источники напряжения: 1) прямое включение перехода эмиттер/база, 2) обратное включение перехода база/коллектор. Ток исходит из эмиттера на (-) вывод аккумулятора. Ток базы соответствует токам, поступающим на клемму базы от (+) клеммы аккумулятора.
Рис. 3. Расположение электронов, попадающих в базу: (а) потери из-за рекомбинации с «дырками» базы; (б) утечки из базы; (в) большинство мигрируют из эмиттера через тонкую базу в обеднённую область база/коллектор; и (г) под влиянием сильного электрического поля быстро перемещаются из обеднённой области в коллектор.
Основными носителями в эмиттере N-типа являются электроны, которые становятся неосновными носителями при входе в базу P-типа. После попадания в тонкую базу P-типа, эти электроны ожидают четыре возможных сценария. Некоторые из них (3.а) выше попадают в «дырки» базы, что способствуют протеканию тока от базы к (+) клемме батареи. Не показано на рисунке, но «дырки» в базе могут диффундировать в эмиттер и объединяться с электронами, внося вклад в ток на клеммах базы. Лишь немногие электроны (3.б) протекают через базу к (+) клемме аккумулятора, как если бы база была резистором. Электроны как (3.а) так и (3.б) вносят свой вклад в очень небольшой базовый ток. Базовый ток обычно составляет 1% от тока эмиттера или коллектора для слаботочных транзисторов. Большая часть электронов эмиттера диффундирует прямо через тонкую базу (3.в) в обеднённую область перехода база/коллектор. Обратите внимание на полярность обеднённой области, окружающей электроны (3.г). Сильное электрическое поле оттуда быстро переносит электроны в коллектор. Сила поля пропорциональна напряжению коллекторной батареи. Таким образом, 99% эмиттерного тока проходит в коллектор. Он контролируется базовым током, который составляет 1% от тока эмиттера. Это потенциальный коэффициент усиления по току, равный 99, не что иное как соотношение IКоллектор/IБаза, также известное как бета (β).
В этом есть некая магия, когда диффузия 99% носителей эмиттера через базу, возможна только в том случае, если база очень тонкая. Какова судьба основных носителей эммитера, будь база в 100 раз толще? Скорее всего, скорость рекомбинации электронов, попадающих в «дырки», будет намного выше. Возможно, 99% вместо 1% попали бы в «дырки», так и не дойдя до коллектора. Во-вторых, стоит отметить, базовый ток может контролировать 99% тока эмиттера, только если 99% тока эмиттера диффундируют в коллектор. Если бы всё утекало из базы, управление было бы невозможно.
Ещё одна особенность, обеспечивающая прохождение 99% электронов от эмиттера к коллектору, заключается в том, что в реальных транзисторах с биполярным переходом используется небольшой сильно легированный эмиттер. Высокая концентрация эмиттерных электронов заставляет многие электроны диффундировать в базу. Более низкая концентрация легирования в базе означает, что меньше дырок диффундирует в эмиттер, а это приведёт к увеличению тока базы. Диффузия носителей от эмиттера к базе гораздо более предпочтительна.
Тонкая база и сильно легированный эмиттер помогают поддерживать высокий КПД эмиттера, например, 99%. Это означает, что 100% эмиттерного тока делится между базой (1%) и коллектором (99%). Эффективность эмиттера известна как α = IКоллектор/IЭммитер.
Виды БП
Транзисторы с биполярным переходом доступны как в виде P-N-P, так и в виде N-P-N-устройств. Сравнение этих двух конфигураций представлено на рисунке 4 ниже. Разница заключается в полярности диодных переходов база/эмиттер, что обозначено условным обозначением стрелки эмиттера в схеме. Она указывает в том же направлении, что и стрелка анода для переходного диода, в направлении протекания тока (см. рис. 3 в разделе 6 «P-N-переход» этой главы). Острие стрелки и полоски соответствуют полупроводникам P-типа и N-типа соответственно. Для эмиттеров N-P-N и P-N-P стрелка указывает от базы или в сторону базы соответственно. Для коллектора нет схематической стрелки. Однако переход база/коллектор имеет ту же полярность, что и переход база/эмиттер, по сравнению с диодом. Обратите внимание, мы говорим о диоде, а не о питании и его полярности.
Рис. 4. Сравните транзистор N-P-N на (а) с транзистором P-N-P на (б). Обратите внимание на направление стрелки эмиттера и полярность питания.
Источники напряжения для транзисторов P-N-P перевернуты по сравнению с транзисторами N-P-N, как показано на рисунке 4 выше. В обоих случаях переход база/эмиттер имеет прямое включение. База P-N-P-транзистора имеет обратное включение (а), по сравнению с прямым включением (б) для N-P-N. В обоих случаях переход база/коллектор имеет обратное включение. Источник питания со стороны коллектора P-N-P-транзистора имеет отрицательную полярность по сравнению с положительной для N-P-N.
Рис. 5. Биполярный транзистор: (а) поперечное сечение отдельного устройства; (б) условное обозначение на схемах; (в) поперечное сечение интегральной схемы.
Обратите внимание, что биполярный транзистор на рисунке 5.а выше имеет сильное легирование в эмиттере, что обозначено как N+. База имеет нормальный уровень P-легирующей примеси. Основание намного тоньше, чем показано на поперечном сечении без соблюдения масштаба. Коллектор слегка легирован, как указано обозначением N-. Коллектор и должен быть слегка легирован, чтобы переход коллектор/база имел высокое напряжение пробоя. Это означает высокое допустимое напряжение источника питания коллектора. Кремниевые слаботочные транзисторы имеют напряжение пробоя 60-80 В. Хотя для высоковольтных транзисторов он может достигать сотен вольт. Коллектор также должен быть сильно легирован, чтобы минимизировать омические потери, если транзистор должен выдерживать большой ток. Эти противоречивые требования удовлетворяются за счёт более сильного легирования коллектора в области металлического контакта. Коллектор возле базы слегка легирован по сравнению с эмиттером. Сильное легирование эмиттера даёт переходу база/эмиттера низкое напряжение пробоя, примерно 7 В, в транзисторах при слабом токе. Сильнолегированный эмиттер придаёт переходу эмиттер/база характеристики стабилитрона при обратном включении.
Матрица БП, кусок разрезанной полупроводниковой пластины – это коллектор, вмонтированный в металлический корпус (если речь о силовых транзисторах). То бишь металлический корпус электрически подключён к коллектору. Маленькая сигнальная матрица может быть залита эпоксидной смолой. В силовых транзисторах алюминиевые соединительные провода соединяют базу и эмиттер с выводами корпуса. Матрицы слаботочных транзисторов могут устанавливаться непосредственно на выводные провода. Несколько транзисторов могут быть изготовлены на одном кристалле, называемом интегральной схемой. Даже коллектор может быть прикреплён к проводу вместо корпуса. Интегральная схема может содержать внутреннюю разводку транзисторов и других интегральных компонентов. Интегрированный БП, показанный на рисунке 5.в выше, намного тоньше, чем на этом изображении, на котором не соблюдены масштабы. Область P+ изолирует несколько транзисторов в одном кристалле. Металлизированный алюминием слой (не показано на рисунке) соединяет множество транзисторов и других компонентов. Область эмиттера сильно легирована N+ по сравнению с базой и коллектором для повышения эффективности эмиттера.
Отдельные транзисторы P-N-P почти такого же высокого качества, как и их аналоги N-P-N. Однако интегрированные P-N-P-транзисторы не так хороши, как N-P-N-транзисторы в одном кристалле интегральной схемы. Можно сказать, что в интегральных схемах разнообразие N-P-N используется по-максимуму.
Итог
Биполярные транзисторы проводят ток, используя как электроны, так и «дырки» в одном устройстве.
Работа биполярного транзистора в качестве усилителя тока требует, чтобы переход коллектор/база имел обратное включение, а переход эмиттер/база имел прямое включение.
Биполярный транзистор отличается от пары диодов тем, что база, центральный слой, очень тонкая. Это позволяет основным носителям из эмиттера диффундировать в качестве неосновных носителей через базу в обеднённую область перехода база/коллектор, где их собирает сильное электрическое поле.
Эффективность эмиттера повышается за счет более сильного легирования по сравнению с коллектором. Эффективность излучателя: α = IКоллектор/IЭмиттер = 0,99 для слаботочных устройств.
Коэффициент усиления по току β = IКоллектор/IЭмиттер, значения в пределах от 100 до 300 для слаботочных транзисторов.
