Как устроен биполярный транзистор

На заре развития радиоэлектроники в качестве основных усилительных элементов выступали разнообразные электровакуумные приборы. Они постоянно совершенствовались как в плане массогабаритных показателей, надежности и долговечности, так и со стороны улучшения их электрических характеристик. Работа таких приборов основывалась на управлении с помощью электрических полей потоками электронов в вакууме, что, как минимум, требовало наличия крепкого герметичного корпуса с соответствующими габаритами. Несмотря на бурное развитие в течение нескольких десятилетий технологий производства электровакуумных приборов, физикам с самого начала было ясно, что кардинальное решение проблем может быть найдено только при переходе к принципиально иному принципу генерации и управления потоками зарядов. Длительные поиски твердотельного аналога радиолампы принесли потрясающий результат, когда ученые обратились к таким достаточно известным и распространенным материалам как кремний (Si) и германий (Ge).

Эти элементы периодической таблицы относятся к группе так называемых полупроводников — материалов, чья электропроводность гораздо ниже электропроводности металлов, но гораздо выше электропроводности диэлектриков. Оказалось, что в кремниевых и германиевых кристаллических структурах можно порождать потоки носителей зарядов и управлять ими аналогично тому, как это делалось в электровакуумных приборах. Причем для этого не требовалось создавать какие-либо внешние по отношению к кристаллу электрические поля или обеспечивать полный вакуум, да и управляемость самих элементарных носителей зарядов получалась гораздо лучшей.

Физика полупроводников достаточно емкая и порой весьма сложная наука. Будем надеяться, что читатель хоть в какой-то мере знаком с основными понятиями этого предмета, поскольку для глубокого понимания работы любых транзисторов без такого знакомства не обойтись. Мы можем себе позволить лишь кратко коснуться данной темы, описав некоторые базовые понятия.

Итак, независимо от типа применяемого полупроводникового материала (кремний или германий) существует три основных подвида полупроводников: чистые (беспримесные) полупроводники или полупроводники с собственной электропроводностью, полупроводники с электронной электропроводностью (полупроводники \(n\)-типа), полупроводники с дырочной электропроводностью (полупроводники \(p\)-типа). Последние два подвида образуются путем введения в чистые полупроводники специальных примесей. Такие примеси существенно повышают электропроводность полупроводниковой структуры за счет появления в ней свободных электронов (электронная электропроводность) или так называемых дырок — элементарных положительных зарядов, обусловленных отсутствием электрона в положенном месте возле ядра атома вещества (дырочная электропроводность). В обоих случаях обеспечивается протекание через полупроводник электрического тока при приложении к нему некоторого внешнего напряжения.

Оказывая некоторые дополнительные электрические воздействия на полупроводниковую структуру, можно управлять протекающим через нее током. На данном принципе основана работа большинства полевых транзисторов. Однако сложилось так, что на начальном этапе развития полупроводниковой электроники предпочтение было отдано биполярным транзисторам. В этих приборах используются свойства так называемых электронно-дырочных переходов (\(p\)-\(n\)-переходов) — структур, состоящих из двух имеющих четкую границу полупроводников с различными типами электропроводности: полупроводника \(n\)-типа и полупроводника \(p\)-типа.

Оказалось, что через такое соединение полупроводников электрический ток может протекать только в одном направлении — когда поток электронов через полупроводник n-типа поступает с отрицательного полюса внешнего источника напряжения, а поток дырок через полупроводник p-типа поступает с положительного полюса этого же источника (режим прямого смещения перехода). Встречаясь на границе раздела полупроводников с различной электропроводностью, эти потоки как бы накладываются друг на друга (т.е. электроны, встречаясь с дыркой, перемещаются и просто становятся на отведенные им места в кристаллической структуре, уничтожая старую дырку и порождая новую там, где они ранее находились; таким образом обеспечивается перетекание дырок далее к отрицательному полюсу, а электронов — к положительному). При изменении полярности внешнего напряжения (обратное смещение перехода) указанные условия не выполняются и электронно-дырочные потоки не могут возникнуть в полупроводниковой \(p\)-\(n\)-структуре. Конечно, в реальных полупроводниках имеет место и масса других физических процессов, которые влияют на их свойства (тепловые процессы, паразитные утечки, явления пробоя и т.п.), но это влияние в большинстве случаев не оказывается определяющим, а лишь несколько уточняет представленную здесь картину.

На описанном принципе основана работа полупроводниковых диодов. Биполярные транзисторы представляют собой несколько более сложную структуру, имеющую в своем составе не один, а два p-n-перехода и позволяющую не просто различать электрические сигналы по их полярности, но и усиливать их. Такая полупроводниковая структура изображена на рис. 1.1,а. В ней чередуются три области с различными типами электропроводности, причем средняя область выполнена очень узкой. Это позволяет потоку носителей зарядов, порожденному в первой области (на рис. 1.1,а слева), проникать через барьер в виде полупроводника с иным типом электропроводности в третью область (на рис. 1.1,а справа) с незначительными потерями (как будет показано в дальнейшем, величиной этих потерь мы можем эффективно управлять, воздействуя на среднюю область). В зависимости от комбинации применяемых полупроводников возможны два вида структуры биполярного транзистора: \(p\)-\(n\)-\(p\) и \(n\)-\(p\)-\(n\). Кроме того, первая и третья области полупроводниковой структуры ввиду конструктивных особенностей биполярных транзисторов не являются одинаковыми, из чего следует, что и свойства транзисторов не симметричны относительно центральной области (хотя и довольно похожи).

Каждая из областей приведенной на рис. 1.1,а полупроводниковой структуры биполярного транзистора имеет отдельный внешний вывод (электрод), а также определенное название, во многом отражающее ее функцию (заметим, что эти функции не зависят от типа транзистора — \(p\)-\(n\)-\(p\) или \(n\)-\(p\)-\(n\)). Область, в которой порождается поток носителей зарядов (на рис. 1.1,а изображена слева), называется эмиттером (Э). Средняя область, через которую происходит управление этим потоком, носит название базы (Б). И, наконец, третья область, в которую поступает урезанный управляемый поток, называется коллектором (К). Два \(p\)-\(n\)-перехода, имеющиеся в биполярном транзисторе, также получили конкретные имена. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход между коллектором и базой — коллекторным переходом (КП). Внешние электроды транзистора называются так же, как и области полупроводниковой структуры, с которыми они соединены. Схемные обозначения биполярных транзисторов типов \(p\)-\(n\)-\(p\) и \(n\)-\(p\)-\(n\) показаны на рис. 1.1,б.

Рис. 1.1. Плоская одномерная модель биполярного транзистора (а)
и его условные обозначения (б)

В качестве исходного полупроводникового материала при производстве транзисторов чаще всего используются: кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs) или фосфид индия (InP). Конструктивное исполнение дискретных биполярных транзисторов может быть самым разнообразным. Существует довольно много технологий их изготовления (в настоящее время преобладают различные подвиды планарно-эпитаксиальной технологии) и еще больше видов корпусов, в которые они могут помещаться (металлокерамические, пластмассовые, керамические и т.д.). Внешние габаритные размеры транзисторов определяются в основном требованиями к допустимым электрическим и тепловым режимам при работе и монтаже прибора. Транзисторы большой мощности имеют большие габариты и специальные средства для крепления внешних теплоотводящих радиаторов, транзисторы малой мощности могут выполняться вообще без корпусов или в корпусах минимальных размеров с очень слабыми теплоотводящими свойствами, защищающими транзистор не столько от перегрева кристалла полупроводника при работе, сколько от перегрева подведенных к нему контактов при пайке транзистора, а также от воздействия на кристалл агрессивной окружающей среды.