Транзистор

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление), электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) вывода, предназначенный для генерирования и преобразования электрических колебаний. Изобретён в 1948 У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином (Нобелевская премия, 1956). Т. составляют два основных крупных класса: униполярные Т. и биполярные Т.

В униполярных Т. протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака — электронами или дырками (см. Полупроводники). Подробно об униполярных Т. см. в ст. Полевой транзистор.

В биполярных Т. (которые обычно называют просто Т.) ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков. Такой Т. представляет собой (рис. 1) монокристаллическую полупроводниковую пластину, в которой с помощью особых технологических приёмов созданы 3 области с разной проводимостью: дырочной (p) и электронной (n). В зависимости от порядка их чередования различают Т. p—n—p-типа и n—p—n-типа. Средняя область (её обычно делают очень тонкой) — порядка нескольких мкм, называется базой, две другие — эмиттером и коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора электронно-дырочными переходами (р—n-переходами): эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП). От базы, эмиттера и коллектора сделаны металлические выводы.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в Т., на примере Т. n—p—n-типа (рис. 1, а). К ЭП прикладывают напряжение Uбэ, которое понижает потенциальный барьер перехода и тем самым уменьшает его сопротивление электрическому току (то есть ЭП включают в направлении пропускания электрического тока, или в прямом направлении), а к КП — напряжение Ukб, повышающее потенциальный барьер перехода и увеличивающее его сопротивление (КП включают в направлении запирания или в обратном направлении). Под действием напряжения Uбэ через ЭП течёт ток iэ, который обусловлен главным образом перемещением (инжекцией) электронов из эмиттера в базу. Проникая сквозь базу в область КП, электроны захватываются его полем и втягиваются в коллектор. При этом через КП течёт коллекторный ток ik. Однако не все инжектированные электроны достигают КП: часть их по пути рекомбинирует с основными носителями в базе — дырками (число рекомбинировавших электронов тем меньше, чем меньше толщина базы и концентрация дырок в ней). Так как в установившемся режиме количество дырок в базе постоянно, то это означает, что часть электронов уходит из базы в цепь ЭП, образуя ток базы iб таким образом, iэ = ik + iб. Обычно iб<< ik, поэтому ik " iэ и Dik " Diэ. Величина a = Dik/Diэ называется коэффициентом передачи тока (иногда — коэффициентом усиления по току), зависит от толщины базы и параметров полупроводникового материала базы и для большинства Т. близка к 1. Всякое изменение Uбэ вызывает изменение iэ (в соответствии с вольтамперной характеристикой p—n-перехода) и, следовательно, ik. Сопротивление КП велико, поэтому сопротивление нагрузки Rн в цепи КП можно выбрать достаточно большим, и тогда Dik будет вызывать значительные изменение напряжения на нём. В результате на Rн можно получать электрические сигналы, мощность которых будет во много раз превосходить мощность, затраченную в цепи ЭП. Подобные же физические процессы происходят и в Т. р—n—p-типа (рис. 1, б), но в нём электроны и дырки меняются ролями, а полярности приложенных напряжений должны быть изменены на обратные. Эмиттер в Т. может выполнять функции коллектора, а коллектор — эмиттера (в симметричных Т.), для этого достаточно изменить полярность соответствующих напряжений.

В соответствии с механизмом переноса не основных носителей через базу различают бездрейфовые Т., в базе которых ускоряющее электрическое поле отсутствует и заряды переносятся от эмиттера к коллектору за счёт диффузии, и дрейфовые Т., в которых действуют одновременно два механизма переноса зарядов в базе: их диффузия и дрейф в электрическом поле. По электрическим характеристикам и областям применения различают Т. маломощные малошумящие (используются во входных цепях радиоэлектронных усилительных устройств), импульсные (в импульсных электронных системах), мощные генераторные (в радиопередающих устройствах), ключевые (в системах автоматического регулирования в качестве электронных ключей), фототранзисторы (в устройствах, преобразующих световые сигналы в электрические с одновременным усилением последних) и специальные. Различают также низкочастотные Т. (в основном для работы в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот), высокочастотные (до 300 Мгц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 Мгц).

В качестве полупроводниковых материалов для изготовления Т. используют преимущественно германий и кремний. В соответствии с технологией получения в кристалле зон с различными типами проводимости (см. Полупроводниковая электроника) Т. делят на сплавные, диффузионные, конверсионные, сплавно-диффузионные, мезатранзисторы, эпитаксиальные, планарные (см. Планарная технология) и планарно-эпитаксиальные. По конструктивному исполнению Т. подразделяются на Т. в герметичных металлостеклянных, металлокерамических или пластмассовых корпусах и бескорпусные (рис. 2); последние имеют временную защиту кристалла от воздействия внешней среды (тонкий слой лака, смолы, легкоплавкого стекла) и герметизируются совместно с устройством, в котором их устанавливают. Наибольшее распространение получили планарные и планарно-эпитаксиальные кремниевые Т.

С изобретением Т. наступил период миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры на базе достижений быстро развивающейся полупроводниковой электроники. По сравнению с радиоэлектронной аппаратурой первого поколения (на электронных лампах) аналогичная по назначению радиоэлектронная аппаратура второго поколения (на полупроводниковых приборах, в том числе на Т.) имеет в десятки и сотни раз меньшие габариты и массу, более высокую надёжность и потребляет значительно меньшую электрическую мощность. Размеры полупроводникового элемента современного Т. весьма малы: даже в самых мощных Т. площадь кристалла не превышает нескольких мм2.Надёжность работы Т. (определяется по среднему статистическому времени наработки на один отказ) характеризуется значениями ~105 ч, достигая в отдельных случаях 106 ч. В отличие от электронных ламп Т. могут работать при низких напряжениях источников питания (до нескольких десятых долей в), потребляя при этом токи в несколько мка. Мощные Т. работают при напряжениях 10—30 в и токах до нескольких десятков а, отдавая в нагрузку мощность до 100 вт и более.

Верхний предел диапазона частот усиливаемых Т. сигналов достигает 10 Ггц, что соответствует длине волны электромагнитных колебаний 3 см. По шумовым характеристикам в области низких частот Т. успешно конкурируют с малошумящими электрометрическими лампами. В области частот до 1 Ггц Т. обеспечивают значение коэффициента шума не свыше 1,5—3,0 дб. На более высоких частотах коэффициент шума возрастает, достигая 6—10 дб на частотах 6—10 Ггц.

Т. является основным элементом современных микроэлектронных устройств. Успехи планарной технологии позволили создавать на одном кристалле полупроводника площадью 30—35 мм2 электронные устройства, насчитывающие до нескольких десятков тыс. Т. Такие устройства, получившие название интегральных микросхем (ИС, см. Интегральная схема), являются основой радиоэлектронной аппаратуры третьего поколения. Примером такой аппаратуры могут служить наручные электронные часы, содержащие от 600 до 1500 Т., и карманные электронные вычислительные устройства (несколько тыс. т.). Переход к использованию ИС определил новое направление в конструировании и производстве малогабаритной и надёжной радиоэлектронной аппаратуры, получившее название микроэлектроники. Достоинства Т. в сочетании с достижениями технологии их производства позволяют создавать ЭВМ, насчитывающие до нескольких сотен тыс. элементов, размещать сложные электронные устройства на борту самолётов и космических летательных аппаратов, изготовлять малогабаритную радиоэлектронную аппаратуру для использования в самых различных областях промышленности, в медицине, быту и т.д. Наряду с достоинствами Т. (как и др. полупроводниковые приборы) имеют ряд недостатков, в первую очередь — ограниченный диапазон рабочих температур. Так, германиевые Т. работают при температурах не свыше 100 °С, кремниевые 200 °С. К недостаткам Т. относятся также существенные изменения их параметров с изменением рабочей температуры и довольно сильная чувствительность к ионизирующим излучениям. См. также Дрейфовый транзистор, Импульсный транзистор, Конверсионный транзистор, Лавинный транзистор.

Лит.: Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, [2 изд.], М., 1970; Кремниевые планарные транзисторы, под ред. Я. А. Федотова, М., 1973; З и С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973.

Я. А. Федотов.