Биполярный транзистор

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР, транзистор с тремя чередующимися полупроводниковыми областями электронного (п) или дырочного (р) типов проводимости, в к-ром протекание рабочего тока обусловлено носителями заряда обоих знаков (электронами и дырками). Различают Б. т. р—п—р-типа и п—р—n-типа. Принцип действия Б. т. основан на управлении потоком неосновных носителей заряда, протекающим через ср. область, к-рая наз. базой транзистора. Электронно-дырочный переход, обычно смещённый в прямом направлении и обеспечивающий инжекцию неосновных носителей заряда в базу, наз. эмиттер-н ы м, а ПП область, отделяемая этим переходом от базы,— эмиттером транзистора. Переход, смещённый в обратном направлении и обеспечивающий собирание неосновных носителей заряда, инжектированных эмиттером, наз. коллекторным, а ПП область, отделяемая этим переходом от базы,— коллектором транзистора. В Б. т. эмиттерный и коллекторный переходы расположены параллельно; базовая область имеет толщину (от долей мкм до неск. десятков мкм), во много раз меньшую, чем её размеры в направлении, параллельном границам переходов. ПП области Б. т. имеют невыпрямляющие контакты, к-рые соединяются с выводами эмиттера, базы и коллектора.

В качестве осн. исходного материала для изготовления Б. т. используются Ge и Si. Однако уже в кон. 80-х гг. Б. т. практически перестали разрабатывать и их доля в ежегодном выпуске транзисторов непрерывно сокращается. Это связано, во-первых, с ограниченностью природных ресурсов Ge, а во-вторых, с тем, что по всем параметрам совр. кремниевые Б. т. превосходят германиевые.

Кремниевые Б. т. изготовляют в основном методами планарно-эпитаксиальной технологии (исключение составляют мощные высоковольтные Б. т., изготовляемые на основе меза-технологии). Характерные размеры областей базы и эмиттера Б. т. в направлении, перпендикулярном поверхности ПП кристалла, от 0,1 мкм до десятков мкм, а в направлении, параллельном этой поверхности,— от 0,8—1 мкм до неск. мм.

Осн. области применения Б. т., как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрич. сигналов. К осн. параметрам Б. т. относят коэф. передачи по току (от неск. единиц до неск. сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэф. шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Б. т. лежат в пределах от десятков мкА (для Б. т.— элементов ИС) до сотен А, напряжений коллектора — от неск. В (в ИС) до неск. кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Б. т. режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Б. т. находится в активном режиме, или режиме усиления (открытое состояние Б. т.), а при обратном смещении — в режиме отсечки (закрытое состояние Б. т.). При прямом смещении на обоих переходах Б. т. находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Б. т. в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, к-рые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора /к. Базовый ток /Б во много раз меньше эмиттерного /э и коллекторного /к токов и равен их разности (/в='э—'к)- Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют кол-во неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Б. т. ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через Б. т. также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых Б. т. ок. 0,6 В; для германиевых — ок. 0,3 В). Величина прямого порогового смещения определяет границу между активным режимом работы Б. т. и режимом отсечки. В режиме насыщения из-за инжекции неосновных носителей заряда коллекторным переходом возрастает их кол-во в активной части базы, а также происходит накопление неравновесных носителей заряда в пассивной части базы. Переключение Б. т. из режима насыщения в активный режим происходит не мгновенно, а в течение нек-рого промежутка времени (необходимого для полной рекомбинации неосновных носителей заряда у коллекторного перехода), к-рый наз. временем рассасывания.

Вследствие симметричной структуры Б. т. может использоваться также в инверсном режиме (полярность смещений на эмиттерном и коллекторном переходах меняется на противоположную по сравнению с обычным — неинверсным режимом). Однако из-за того, что площадь коллекторного перехода у Б. т. значительно больше площади эмиттерного перехода, большая часть неосновных носителей заряда, инжектированных коллектором, не достигает эмиттерного перехода. Выделяют также режим малого сигнала, к-рый соответствует работе Б. т. в активном режиме, когда при малой величине входного сигнала параметры транзистора считают пост, величинами; режим большого сигнала, к-рый характеризуется перемещением рабочей точки транзистора в пределах значит, участков его выходной характеристики.

Схемы включения Б. т. определяются по электроду, общему для входной и выходной цепей Б. т. Различают схемы включения: с общей базой (рис. 3,а), общим эмиттером (рис. 3,6) и общим коллектором (рис. 3,в). Для схем включения с общим эмиттером и общим коллектором управляющим является базовый ток /Б, а для схемы включения с общей базой — эмиттерный ток /э. Б. т., включённый по схеме с общей базой, характеризуется высоким значением напряжения пробоя (равно напряжению пробоя коллекторного перехода), лучшими частотными св-вами (по сравнению с др. схемами включения). Статич. коэф. передачи по току равен отношению тока коллектора к току эмиттера (Ь21б='к/'э) и близок к единице, а усиление по мощности определяется только усилением по напряжению. Недостатком этой схемы включения является необходимость использовать два разнополярных источника питания. У Б. т., включённого по схеме с общим эмиттером, статич. коэф. передачи по току равен отношению тока коллектора к току базы [Ь21э='к/'б—п21б/ (1—П21б)] и имеет значение от неск. единиц до неск. сотен, а коэф. усиления по напряжению пропорционален сопротивлению нагрузки в коллекторной цепи и достигает неск. сотен. В усилителе на Б. т., включённом по схеме с общей базой или общим эмиттером, сдвиг фазы на низкой частоте между входным и выходным сигналами составляет 180°, а в усилителе на Б. т., включённом по схеме с общим коллектором, сдвиг фазы равен нулю. При включении Б. т. по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель) его статич. коэф. усиления по напряжению близок к единице, а усиление по мощности определяется коэф. передачи тока от базы к эмиттеру, к-рый равен Ь21Э + 1. Б. т., включённый по схеме с общим эмиттером, используют в качестве усилителя тока, напряжения или мощности; применяют во всех частотных диапазонах. Б. т., включённый по схеме с общей базой,— в качестве усилителя напряжения или мощности с малым входным сопротивлением; применяют в осн. диапазоне СВЧ. Б. т., включённый по схеме с общим коллектором,— в качестве усилителя тока или мощности с большим входным сопротивлением; практически не применяют в диапазоне СВЧ.

Источник
Электроника. Энциклопедический словарь
Москва, «Советская энциклопедия», 1991 г.