Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — это трёхэлектродный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и коммутации электрических сигналов. В отличие от полевого транзистора, в котором ток управляется электрическим полем, работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух типов носителей заряда — электронов и дырок (отсюда название «биполярный»). Прибор состоит из трёх чередующихся областей полупроводника с разным типом проводимости, образующих два p-n-перехода. Изобретение биполярного транзистора в 1947 году стало одним из ключевых событий в развитии электроники, заложив основу для создания интегральных схем, микропроцессоров и всей современной цифровой техники.

История

История биполярного транзистора началась в конце 1940-х годов в лабораториях компании Bell Telephone Laboratories. 16 декабря 1947 года группа учёных — Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн — продемонстрировала работу первого точечно-контактного транзистора на основе германия. За это открытие в 1956 году они были удостоены Нобелевской премии по физике. Первоначально устройство называлось «транзистор» (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление), что отражало его функцию преобразования сопротивления.

В 1948 году Шокли разработал теорию плоскостного (диффузионного) транзистора, который был более надёжным и технологичным. В 1951 году был создан первый работоспособный плоскостной транзистор. В 1950-е годы началось промышленное освоение германиевых транзисторов, которые быстро вытеснили вакуумные лампы в радиоприёмниках, слуховых аппаратах и первых компьютерах. Однако германий имел ограниченную термостойкость (до 70–85 °C) и высокий обратный ток.

Переломным моментом стало освоение кремниевой технологии. Кремний, благодаря более широкой запрещённой зоне (1,12 эВ против 0,67 эВ у германия), позволял работать при температурах до 150–200 °C и имел значительно меньшие токи утечки. Первые кремниевые транзисторы были созданы в 1954 году компанией Texas Instruments. В 1959 году Жан Эрни (Jean Hoerni) из Fairchild Semiconductor разработал планарную технологию, которая стала основой для производства интегральных схем. В 1960-е годы биполярные транзисторы доминировали в логических схемах (транзисторно-транзисторная логика, ТТЛ) и аналоговых устройствах.

С развитием полевых транзисторов (в частности, МОП-структур) в 1970–1980-е годы биполярные транзисторы постепенно уступили им в цифровых схемах из-за большего энергопотребления. Однако в аналоговой электронике, мощных усилителях, высокочастотной технике и силовой электронике биполярные транзисторы сохранили свои позиции. В 1980-е годы были разработаны биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), объединяющие свойства полевого и биполярного транзисторов.

Устройство и принцип работы

Структура

Биполярный транзистор представляет собой монокристалл полупроводника (обычно кремния), в котором методом диффузии или эпитаксии сформированы три области с чередующимся типом проводимости:

• Эмиттер (E) — область с высокой концентрацией примеси, служащая источником носителей заряда.
• База (B) — тонкая (0,1–10 мкм) слаболегированная область, разделяющая эмиттер и коллектор.
• Коллектор (K) — область с умеренной концентрацией примеси, принимающая носители.

В зависимости от чередования слоёв различают два типа проводимости:

• n-p-n (эмиттер n-типа, база p-типа, коллектор n-типа) — наиболее распространённый тип.
• p-n-p (эмиттер p-типа, база n-типа, коллектор p-типа).

Принцип действия

Работа биполярного транзистора основана на управлении током коллектора с помощью тока базы. Рассмотрим n-p-n-транзистор в активном режиме. Между эмиттером и базой подаётся прямое смещение (плюс на базе, минус на эмиттере), а между коллектором и базой — обратное смещение (плюс на коллекторе, минус на базе). При прямом смещении эмиттерного перехода электроны из эмиттера (основные носители) инжектируются в базу. База тонкая и слаболегированная, поэтому большинство электронов (98–99,5 %) не успевают рекомбинировать с дырками базы и достигают коллекторного перехода. Обратно смещённый коллекторный переход захватывает эти электроны, создавая ток коллектора Iк. Небольшая часть электронов рекомбинирует в базе, что требует компенсации со стороны внешней цепи — так возникает ток базы Iб.

Таким образом, ток коллектора примерно равен току эмиттера (Iк ≈ Iэ), а ток базы составляет малую долю от эмиттерного тока. Основная характеристика транзистора — коэффициент передачи тока (усиления) по постоянному току:

• β (hFE) = Iк / Iб (для схемы с общим эмиттером). Типичные значения β для маломощных транзисторов лежат в диапазоне 20–1000.
• α = Iк / Iэ (для схемы с общей базой). α близок к 1 (0,95–0,999).

Режимы работы

Биполярный транзистор может работать в нескольких режимах в зависимости от напряжений на переходах:

• Активный режим (нормальный): эмиттерный переход смещён прямо, коллекторный — обратно. Используется для усиления.
• Режим насыщения: оба перехода смещены прямо. Транзистор открыт, падение напряжения между коллектором и эмиттером минимально (0,1–0,3 В). Используется в ключевых схемах.
• Режим отсечки: оба перехода смещены обратно. Ток через транзистор практически отсутствует. Используется для запирания.
• Инверсный режим: эмиттерный переход смещён обратно, коллекторный — прямо. Коэффициент усиления βинв значительно ниже нормального (обычно 1–10). Применяется редко.

Классификация

Биполярные транзисторы классифицируются по нескольким признакам.

По материалу полупроводника

• Германиевые (Ge) — исторически первые, ныне почти не используются из-за низкой термостойкости и большого обратного тока.
• Кремниевые (Si) — основной тип, применяемый в подавляющем большинстве современных устройств.
• На основе арсенида галлия (GaAs) и других соединений AIIIBV — для сверхвысокочастотных (СВЧ) и оптоэлектронных приложений.

По мощности

• Маломощные — рассеиваемая мощность до 0,3–1 Вт. Используются в усилительных каскадах, логических схемах.
• Средней мощности — от 1 до 10 Вт. Применяются в драйверах, выходных каскадах.
• Мощные — свыше 10 Вт (до нескольких сотен ватт). Требуют теплоотвода, используются в источниках питания, инверторах, усилителях звуковой частоты.

По частотным свойствам

• Низкочастотные — граничная частота fгр до 1–3 МГц.
• Среднечастотные — fгр от 3 до 30 МГц.
• Высокочастотные — fгр от 30 МГц до 1 ГГц.
• Сверхвысокочастотные — fгр свыше 1 ГГц (до 100 ГГц и более).

По конструктивному исполнению

• Дискретные транзисторы — отдельные корпусированные компоненты (TO-92, TO-220, SOT-23 и др.).
• Транзисторные сборки — несколько транзисторов в одном корпусе (например, сборка Дарлингтона).
• Интегральные транзисторы — входят в состав микросхем.

Основные характеристики и параметры

Для выбора и применения биполярных транзисторов используются следующие ключевые параметры:

• Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ max) — предельное напряжение, которое транзистор может выдерживать в закрытом состоянии (обычно 20–1000 В).
• Максимальный ток коллектора (Iк max) — предельный ток, который может проходить через коллектор (от десятков миллиампер до сотен ампер).
• Максимальная рассеиваемая мощность (Pmax) — мощность, которую транзистор может рассеивать без разрушения (с учётом теплоотвода).
• Статический коэффициент передачи тока (hFE или β) — отношение тока коллектора к току базы в активном режиме.
• Граничная частота (fгр) — частота, на которой коэффициент усиления по току падает до 1.
• Обратный ток коллектора (Iкбо) — ток через коллекторный переход при разомкнутой цепи эмиттера. Для кремниевых транзисторов составляет единицы-десятки наноампер.
• Ёмкости переходов (Cэ, Cк) — влияют на быстродействие.

Схемы включения

Биполярный транзистор может быть включён в схему тремя основными способами, отличающимися входным и выходным электродами:

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Наиболее распространённая схема. Вход — база, выход — коллектор, эмиттер общий. Обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению (до нескольких сотен) и по току (β). Фаза выходного сигнала инвертирована относительно входного. Входное сопротивление — сотни ом — единицы килоом.

Схема с общей базой (ОБ)

Вход — эмиттер, выход — коллектор, база общая. Усиление по току α < 1 (близко к 1), но высокое усиление по напряжению. Входное сопротивление низкое (единицы–десятки ом). Фаза сигнала не инвертируется. Применяется в высокочастотных усилителях и каскодных схемах.

Схема с общим коллектором (ОК) — эмиттерный повторитель

Вход — база, выход — эмиттер, коллектор общий. Усиление по напряжению близко к 1, усиление по току — β. Входное сопротивление высокое (десятки–сотни килоом), выходное — низкое (единицы–десятки ом). Фаза сигнала не инвертируется. Используется для согласования высокоомного источника с низкоомной нагрузкой.

Применение

Биполярные транзисторы широко применяются в различных областях электроники:

• Аналоговые усилители — усилители звуковой частоты, операционные усилители, предусилители. Благодаря высокой линейности и хорошим шумовым характеристикам биполярные транзисторы остаются основой качественных аудиоусилителей.
• Ключевые схемы — импульсные источники питания, преобразователи напряжения, драйверы двигателей, релейные схемы. В режиме насыщения/отсечки транзистор работает как электронный ключ.
• Генераторы сигналов — мультивибраторы, генераторы синусоидальных и прямоугольных импульсов.
• Логические схемы — исторически биполярные транзисторы использовались в ТТЛ- и ЭСЛ-логике. В современных микросхемах их вытеснили КМОП-транзисторы, но биполярные элементы сохранились в быстродействующих интерфейсах (например, LVDS).
• СВЧ-устройства — малошумящие усилители, смесители, генераторы в диапазоне до десятков гигагерц (на GaAs).
• Силовая электроника — мощные биполярные транзисторы (в том числе IGBT) используются в инверторах, сварочных аппаратах, электроприводах, системах электропитания.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокий коэффициент усиления по току (β до 1000 и более).
• Высокая крутизна характеристики (большое изменение тока коллектора при малом изменении напряжения база-эмиттер).
• Хорошая линейность в активном режиме, что важно для аналоговых схем.
• Низкое напряжение насыщения (0,1–0,3 В), что позволяет минимизировать потери в ключевом режиме.
• Широкий диапазон рабочих напряжений и токов.

Недостатки

• Значительное энергопотребление в активном режиме из-за тока базы.
• Зависимость параметров от температуры (коэффициент β растёт с температурой, что может привести к тепловому разгону).
• Меньшее входное сопротивление по сравнению с полевыми транзисторами, что нагружает источник сигнала.
• Более сложная технология изготовления по сравнению с МОП-транзисторами.
• Склонность к вторичному пробою при работе в индуктивных цепях (требует защитных цепей).

Интересные факты

• Первый транзистор, созданный Бардином и Браттейном, представлял собой две золотые контактные иглы, прижатые к пластине германия. Коэффициент усиления составлял около 100.
• Термин «транзистор» был предложен инженером Джоном Пирсом (John R. Pierce) как комбинация слов «transconductance» и «varistor».
• В 1950-е годы транзисторы стоили сотни долларов за штуку, а к 1960-м годам их цена упала до нескольких долларов.
• Самый массовый биполярный транзистор — 2N2222 (кремниевый n-p-n), выпускаемый с 1962 года. Он до сих пор широко используется в учебных и любительских конструкциях.
• Мощные биполярные транзисторы могут содержать несколько сотен параллельных элементарных ячеек на одном кристалле для равномерного распределения тока.

Источники

• Шокли У. Теория p-n-переходов и транзисторов. — М.: ИЛ, 1954.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: ДМК Пресс, 2008.
• Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.: Высшая школа, 2006.
• Справочник по транзисторам / под ред. В. Л. Аронова. — М.: Радио и связь, 1990.
• Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices. — 3rd ed. — Wiley, 2007.