Транзистор біполярний
Транзистор біполярний (від лат. bi - подвійний, подвійний та грецьк. polos - вісь, полюс) - один з осн. елементів напівпровідникової електроніки Створений у 1948 Дж. Бардіном (J. Bardeen), У. Браттейном (W. Brattain) та У. Шоклі (W. Shockley) (Нобелівська премія з фізики, 1956). Являє собою тришарову напівпровідникову структуру з шарами дірочної (р-тип) і електронної (n-тип) провідності, що чергуються. Існують Т. б. як p - n-р-(рис. 1, а), так і p-p-п-типу (рис. 1, б). Порівн. Область транзисторної структури називають базою. На кордоні між базовою областю та крайніми областями-емітером та колектором - існують електронно-діркові переходи (р-п-переходи): емітерний та колекторний (рис. 2). В основі роботи Т. б. лежать властивості p - n-переходів, схема включення його в електрич. ланцюг показано на рис. 3. Т. б. виготовляються, як правило, на основі Si, GaAs та гетеропереходу GaAlAs/GaAs.
Мал. 1. Структура біполярного транзистора: а-транзистор р-п-р-типу; б-транзистор п-р-n-типу.
Мал. 2. Структура біполярного транзистора р-п-p-типу; I-емітерний р-n-перехід; 2 - колекторний р-n-перехід.
Мал. 3. Схема включення транзистора.
Принципи роботи. Зазвичай під час роботи Т. б. до емітер-ного переходу прикладено напругу в прямому напрямку (+ на p-емітері), а до колекторного - у зворотному напрямку (-на p-колекторі), відсутність зовніш. напруги на межі р- та і-областей існує, як відомо, потенц. бар'єр, що заважає діркам переходити з р-у n-область, а електронам - з п-р-область. Якщо до р - n-структурі прикладено пряму напругу (рис. 4 а), висота потенц. бар'єр знижується. При цьому дірки з емітера інжектуються в базу (див. Інжекція носіїв заряду), аелектрони - з основи в емітер (рис. 4, б). У широкому діапазоні струмів виконується співвідношення де p1 – концентрація дірок у базі на кордоні з емітером, n1-концентрація електронів в емітері на кордоні з базою, р0 – концентрація дірок в емітері, n0 – концентрація електронів у базі (рис. 4, б). Концентрація дірок р0 в емітері і концентрація електронів n0 в базі визначаються відповідно концентраціями легуючих домішок Na і Nd (див. Легування напівпровідників ). носіїв стає дуже малим.При малому tn коефіцієнт інжекції gp зменшується [див.(1)] Зниження gp, у свою чергу, викликає зменшення b.
При величина мкм, що вимагає ширини бази мкм. Такій величині W відповідає значення
Коеф. посилення струмом Т. б. становить зазвичай дек. десятків, в деяких Т. б.- дек. сотень. В Т. б., для виготовлення яких використовуються різні гетероструктури, коеф. посилення-сягає дек. тисяч.
Швидкодія Т. б. прийнято характеризувати граничною частотою fг, при якій коеф. посилення струму зменшується до b=1.
Фіз. обмеження величини fг пов'язано з часом перенесення носіїв через базу При чисто дифузійному механізмі перенесення носіїв у базі Величина t може бути дещо зменшена, якщо створити в базі електрич. поле, що прискорює проходження носіїв від емітера до колектора (так зване поле, що тягне). Таке поле створюється в дифузійно-дрейфових Т. б. неоднорідним легуванням основи. Величина т при цьому може бути зменшена приблизно 2 рази. Т. о., осн. шляхом підвищення швидкодії Т. б. є зменшення товщини бази W.
Зазначимо, що зменшення W призводить до зростаннявхідного опору основи rб. При цьому збільшуються постійні часу заряду емітерної та колекторної ємностей Се і Ск через опір rб. Час заряду цих ємностей також обмежує швидкодію Т. б. Практично гранична частота звичайних Т. б. не перевищує 10 ГГц.
Гранична робоча частота гомоструктурних Т. б. складає дек. ГГц. Гранична частота гетероструктурних Т. б. перевищує 60 ГГц.
Характеристики Т. б. можуть бути суттєво покращені, якщо як емітер (а іноді і колектор) використовувати матеріал з шириною забороненої зони більшою, ніж у матеріалу бази. У таких гетероструктурних Т. б. Найчастіше база виготовляється з GaAs, а емітер – з GaAlAs (гетероперехід GaAs/GaAlAs). Ідея гетероструктурних Т. б. сформульована У. Шоклі у 1948, а створені вони були у кін. 70-х pp. У цих Т. б. коеф. Інжекція емітера близька до одиниці, навіть якщо база легована значно сильніше, ніж емітер (явище суперінжекції). Це знімає розглянуті вище обмеження товщину бази W і рівень легування бази Nd. Крім того, зниженням рівня легування емітера може бути суттєво зменшена ємність емітера Се. Створено гетеротранзистори з мкм, макс. частотою генерації ГГц і шуму коефіцієнтом (у малошумливих Т. б.) ін. = 2-5 дБ.
Застосування. Коло застосувань Т. б. умовно можна розбити на 4 осн. частини: Т. б. для цифрових пристроїв (ЦП) та інтегральних схем (ІВ), Т. б. загального застосування, НВЧ Т. б. та потужні Т. б.
Т. б., призначені для роботи в ЦУ та ІВ, повинні володіти малими габаритами, високою швидкістю та мін. енергією перемикання. Елементну базу найбільш швидкодіючих (час перемикання пр. = 20 пс) вузлів серійних ЕОМ складають кремнієві Т. б. Як найбільш швидкодіючі елементисерійних ІС використовуються польові транзистори на основі GaAs та гетероструктурні Т. б. на основі гетеропари GaAs/GaAlAs.
основ. вимога до НВЧ Т. б. полягає у досягненні макс. потужності та коеф. посилення на гранично високій частоті. НВЧ Т. б. виготовляються в осн. з GaAs, в до-ром балістич. ефекти, що дозволяють збільшити швидкість прольоту носіїв через базу, виражені значно сильніше, ніж Si. Ведуться інтенсивні розробки гетероструктурних НВЧ Т. б. Гранична частота генерації НВЧ Т. б.
Потужні Т. б. виготовляються майже виключно на основі Si, працюють при напрузі колектор - база до 1500 В і дозволяють комутувати струм
10 А. Фіз. особливості високовольтних Т. би. обумовлені тим, що колектор у високовольтних Т. б. легований значно слабше за базу. Завдяки цьому широка область об'ємного заряду, що виникає при великій зворотній напрузі, майже повністю розташована в колекторі. Перед бази припадає лише нікчемна частина загальної ширини області об'ємного заряду, що дозволяє зробити базу досить тонкою і поєднувати великі колекторні напруги з відносно малим часом перемикання (
Мал. 6. Транзистор з горбоподібними бар'єрами: а -структура шарів; б-зонна діаграма.
наиб. перспективними з погляду поліпшення частотних властивостей є структури, в яких брало поєднуються властивості Т. б. та польових транзисторів (ПТ). Як і ПТ, робота таких транзисторів ґрунтується на використанні носіїв заряду тільки одного знака, проте принцип управління в таких приладах той же, що і в Т. б.: інжекція носіїв в базу здійснюється зниженням бар'єру на кордоні емітер - база.
Одна з найб. перспективних різновидів Т. б. схематично показано на рис. 6,а.Відповідну зонну діаграму наведено на рис. 6, б. Чергування легованих за заданим законом п- та p-областей призводить до утворення на кордоні емітер - база та база - колектор двох горбоподібних бар'єрів. До переходу емітер - основа прикладається напруга, що знижує бар'єр на межі i-р +. При цьому з емітера в базу інжектуються електрони з великою енергією, достатньою для того, щоб пройти над бар'єром (гарячі електрони). база, що втягуються колектором. Передбачається, що такі транзистори можуть мати граничну частоту, що перевищує 300 ГГц.