Биполярные транзисторы: структура, работа и усиление

История и происхождение

Биполярный транзистор (БТ) получил название от одновременной проводимости электронов и дырок в одном кристалле. Первый практический БТ был изобретён в Bell Labs Уильямом Шокли, Уолтером Браттейн и Джоном Бардином в конце 1947 года и опубликован в 1948. Трио получило Нобелевскую премию по физике 1956 года за этот прорыв.

Базовая структура npn транзистора

npn транзистор состоит из трёх слоёв: сильно легированного n-типа эмиттера, тонкого p-типа база и слабо легированного n-типа коллектора. Представьте его как второй слой, добавленный к диоду. Критический элемент проектирования — толщина базы: она должна быть достаточно тонкой, чтобы большинство носителей диффундировали сквозь неё без рекомбинации, но достаточно толстой, чтобы предотвратить электрическое замыкание между эмиттером и коллектором.

Переходы БТ и смещение

У каждого транзистора два p-n перехода: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В типичной усилительной схеме ЭБ переход смещён прямо, а БК — обратно. Обратное смещение расширяет область обеднения БК, создавая сильное электрическое поле, которое сносит малочисленные носители из базы в коллектор. ЭБ переход требует прямого напряжения примерно 0,6 В (кремний) для инъекции основных носителей из эмиттера в базу как малочисленных.

Рисунок 1. (а) Поперечное сечение npn транзистора. (б) Обратное смещение БК перехода увеличивает ширину области обеднения; течёт лишь незначительный ток утечки.

Механизм токоусиления

Когда ЭБ переход смещён прямо, электроны из эмиттера входят в p-базу как малочисленные носители. Тонкая база позволяет большинству этих электронов достичь области обеднения БК до рекомбинации. Попав в область обеднения, сильное электрическое поле втягивает их в коллектор, создавая большой коллекторный ток. Малый базовый ток, который всё же течёт, управляет большей частью коллекторного тока, давая токусиление транзистора.

Рисунок 2. Судьбы электронов в базе: (а) рекомбинация с дырками, (б) выход через базовый вывод, (в) диффузия через базу к коллектору, (г) захват в коллектор полем БК перехода.

Коэффициент эмиттерной эффективности (α) — отношение I_C/I_E — обычно достигает 0,99 для маломощных кремниевых БТ, что означает, что 99% инжектированных электронов достигают коллектора. Токусиление (β = I_C/I_B) обычно лежит в диапазоне 100–300 для таких приборов.

pnp против npn транзисторов

И npn, и pnp транзисторы работают по одному принципу, но с противоположными типами носителей и направлениями смещения. Стрелка на эмиттере в символе показывает направление тока условного направления: от базы для npn, к базе для pnp. Полярность база-коллектор та же, что и база-эмиттер, но полярности питания инвертированы.

Рисунок 3. (а) Схема npn транзистора. (б) Схема pnp транзистора.

Технология изготовления и корпуса

На полупроводниковой кристаллике эмиттер сильно легирован (n⁺), база — слабо (p), коллектор — слабо легирован у базы, но сильно у металлического контакта для снижения сопротивления. Маломощные БТ обычно имеют пробойное напряжение коллектор-база 60–80 В, высоковольтные варианты — несколько сотен вольт. В силовых корпусах коллектор часто припаян к металлическому корпусу для эффективного теплоотвода.

Рисунок 4. (а) Сечение дискретного БТ. (б) Схематический символ. (в) Сечение интегральной схемы.

Ключевые выводы

• БТ проводят ток с использованием и электронов, и дырок.
• Усиление требует прямо смещённого ЭБ перехода и обратное смещённого БК перехода.
• В отличие от двух диодов навстречу, база крайне тонка, позволяя диффузии носителей до коллектора.
• Эмиттерная эффективность (α) ≈ 0,99 для маломощных приборов.
• Токусиление (β) варьируется от 100 до 300 в маломощных БТ.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Теория биполярного транзистора (БТ)