Транзистор
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Транзистор

Транзистор (від англ.(англійський) transfer — переносити і resistor — опір), електронний прилад на основі напівпровідникового кристала, що має три (або більш) виводи, призначений для генерування і перетворення електричних коливань. Винайдений в 1948 В. Шоклі, В. Браттейном і Дж. Бардіном (Нобелівська премія, 1956). Т. складають два основні крупні класи: уніполярні Т. і біполярні Т.

загрузка...

  В уніполярних Т. протікання струму через кристал обумовлене носіями заряду лише одного знаку — електронами або дірками (див. Напівпровідники ). Детально про уніполярних Т. див.(дивися) в ст. Польовий транзистор .

  В біполярних Т. (які зазвичай називають просто Т.) струм через кристал обумовлений рухом носіїв заряду обох знаків. Такий Т. є ( мал. 1 ) монокристалічною напівпровідниковою пластиною, в якій за допомогою особливих технологічних прийомів створено 3 області з різною провідністю: дірковою ( p ) і електронною ( n ). У залежності від порядку їх чергування розрізняють Т. p—n—p -тіпа і n—p—n -тіпа. Середня область (її зазвичай роблять дуже тонкою) — порядка декілька мкм , називається базою, дві інші — емітером і колектором. База відокремлена від емітера і колектора електронно-дірковими переходами ( р—n -переходамі): емітерним (ЕП) і колекторним (КП). Від бази, емітера і колектора зроблені металеві виводи.

  Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в Т., на прикладі Т. n—p—n -тіпа ( мал. 1 , а). До ЕП прикладають напругу U бе , яке знижує потенційний бар'єр переходу і тим самим зменшує його опір електричному струму (тобто ЕП включають у напрямі пропускання електричного струму, або в прямому напрямі), а до КП — напруга U кб , що підвищує потенційний бар'єр переходу і опір, що збільшує його (КП включають у напрямі замикання або у зворотному напрямі). Під дією напруги U бе через ЕП тече струм i е , який обумовлений головним чином переміщенням (інжекцією) електронів з емітера в базу. Проникаючи крізь базу в область КП, електрони захоплюються його полем і втягуються в колектор. При цьому через КП тече колекторний струм i до . Проте не всі інжектірованниє електрони досягають КП: частина їх по дорозі рекомбінує з основними носіями в базі — дірками (число електронів, що рекомбінували, тим менше, чим менше товщина бази і концентрація дірок в ній). Оскільки в сталому режимі кількість дірок в базі постійно, то це означає, що частина електронів вирушає з бази в ланцюг ЕП, утворюючи струм бази i би таким чином, i е  i i би . Зазвичай i би << i до , тому i до » i е і D i до » D i е . Величина а = D i до /d i е називається коефіцієнтом передачі струму (інколи — коефіцієнтом посилення по струму), залежить від товщини бази і параметрів напівпровідникового матеріалу бази і для більшості Т. близька до 1. Всяку зміну U бе викликає зміна i е (відповідно до вольтамперной характеристики p—n -перехода) і, отже, i до . Опір КП великий, тому опір навантаження R н в ланцюзі КП можна вибрати чималим і тоді D i до викликатиме значні зміна напруги на нім. В результаті на R н можна отримувати електричні сигнали, потужність яких у багато разів перевершуватиме потужність, витрачену в ланцюзі ЕП. Подібні ж фізичні процеси відбуваються і в Т. р n —p-тіпа ( мал. 1 , би) , але в нім електрони і дірки міняються ролями, а полярності прикладеної напруги мають бути змінені на зворотних. Емітер в Т. може виконувати функції колектора, а колектор — емітера (у симетричних Т.), для цього досить змінити полярність відповідної напруги.

  Відповідно до механізму перенесення не основних носіїв через базу розрізняють бездрейфовиє Т., в базі яких прискорююче електричне поле відсутнє і заряди переносяться від емітера до колектора за рахунок дифузії, і дрейфові Т., в яких діють одночасно два механізми перенесення зарядів в базі: їх дифузія і дрейф в електричному полі. По електричних характеристиках і областях вживання розрізняють Т. малопотужні малошумливі (використовуються у вхідних ланцюгах радіоелектронних підсилювальних пристроїв), імпульсні (у імпульсних електронних системах), потужні генераторні (у радіопередавальних пристроях), ключові (у системах автоматичного регулювання як електронні ключі), фототранзистори (у пристроях, що перетворюють світлові сигнали в електричних з одночасним посиленням останніх) і спеціальні. Розрізняють також низькочастотні Т. (в основному для роботи в звуковому і ультразвуковому діапазонах частот), високочастотні (до 300 Мгц ) і надвисокочастотні (понад 300 Мгц ).

  Як напівпровідникові матеріали для виготовлення Т. використовують переважно германій і кремній . Відповідно до технології здобуття в кристалі зон з різними типами провідності (див. Напівпровідникова електроніка ) Т. ділять на сплавних, дифузійних, конверсійних, сплавно-дифузійних, мезатранзістори, епітаксіальні, планарниє (див. Планарная технологія ) і планарно-епітаксіальні. По конструктивного виконання Т. підрозділяються на Т. в герметичних металоскляних, металокерамічних або пластмасових корпусах і безкорпусні ( мал. 2а, 2б, 2в ); останні мають тимчасовий захист кристала від дії зовнішнього середовища (тонкий шар лаку, смоли, легкоплавкого скла) і герметизуються спільно з пристроєм, в якому їх встановлюють. Найбільшого поширення набули планарниє і планарно-епітаксіальні кремнієві Т.

  З винаходом Т. настав період мініатюризації радіоелектронної апаратури на базі досягнень напівпровідникової електроніки, що швидко розвивається. В порівнянні з радіоелектронною апаратурою першого покоління (на електронних лампах ) аналогічна за призначенням радіоелектронна апаратура другого покоління (на напівпровідникових приладах, у тому числі на Т.) має в десятки і сотні разів менші габарити і масу, вищу надійність і споживає значно меншу електричну потужність. Розміри напівпровідникового елементу сучасного Т. вельми малі: навіть у найпотужніших Т. площа кристала не перевищує декілька мм 2 . Надійність роботи Т. (визначається по середньому статистичному часу напрацювання на одну відмову) характеризується значеннями ~10 5 ч , досягаючи в окремих випадках 10 6 ч . На відміну від електронних ламп Т. можуть працювати при низькій напрузі джерел живлення (до декількох десятих доль в ), споживаючи при цьому струми в декілька мка . Потужні Т. працюють при напрузі 10—30 в і струмах до декількох десятків а , віддаючи в навантаження потужність до 100 Вт і більш.

  Верхня межа діапазону частот підсилюваних Т. сигналів досягає 10 Ггц , що відповідає довжині хвилі електромагнітних коливань 3 см . По шумових характеристиках в області низьких частот Т. успішно конкурують з малошумливими лампами електрометрій . В області частот до 1 Ггц Т. забезпечують значення коефіцієнта шуму не понад 1,5—3,0 дб . На вищих частотах коефіцієнт шуму зростає, досягаючи 6—10 дб на частотах 6—10 Ггц .

  Т. є основним елементом сучасних мікроелектронних пристроїв. Успіхи планарной технології дозволили створювати на одному кристалі напівпровідника площею 30—35 мм 2 електронні пристрої, що налічують до декількох десятків тис. Т. Такие пристрої, що отримали назву інтегральних мікросхем (ІС, див.(дивися) Інтегральна схема ), є основою радіоелектронної апаратури третього покоління. Прикладом такої апаратури можуть служити наручні електронний годинник, що містять від 600 до 1500 Т., і кишенькові електронні обчислювальні пристрої (декілька тис. т.). Перехід до використання ІС визначив новий напрям в конструюванні і виробництві малогабаритної і надійної радіоелектронної апаратури, що отримало назву мікроелектроніки . Достоїнства Т. у поєднанні з досягненнями технології їх виробництва дозволяють створювати ЕОМ(електронна обчислювальна машина), що налічують до декількох сотень тис. елементів, розміщувати складні електронні пристрої на борту літаків і космічних літальних апаратів виготовляти малогабаритну радіоелектронну апаратуру для використання в самих різних областях промисловості, в медицині, побуті і т.д. Поряд з достоїнствами Т. (як і ін. напівпровідникові прилади) мають ряд недоліків, в першу чергу — обмежений діапазон робочих температур. Так, германієві Т. працюють при температурах не понад 100 °С, кремнієві 200 °С. До недоліків Т. відносяться також істотні зміни їх параметрів із зміною робочої температури і досить сильна чутливість до іонізуючих випромінювань. Див. також Дрейфовий транзистор, Імпульсний транзистор, Конверсійний транзистор, Лавинний транзистор .

 

  Літ.: Федотов Я. А., Основи фізики напівпровідникових приладів, [2 видавництва], М., 1970; Кремнієві планарниє транзистори, під ред. Я. А. Федотова, М., 1973; З і С. М., Фізика напівпровідникових приладів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1973.

  Я. А. Федотов.

Мал. 2в. Зовнішній вигляд надвисокочастотного малошумливого транзистора (при збільшенні приблизно в 1000 разів).

Мал. 2а. Зовнішній вигляд надвисокочастотних транзисторів в металокерамічних корпусах.

Мал. 1. Схемне зображення транзисторів n p n -тіпа (а) і p n p -тіпа (б) в схемі підсилювача електричних коливань і умовні позначення їх на електричних схемах (у, г): Е — емітер; Би — база; До — колектор; R н — навантаження; U — напруга джерел живлення; i — струм; стрілками позначений напрям руху електронів (протилежне до напряму струму).

Мал. 2б. Зовнішній вигляд безкорпусних транзисторів.