Биполярный транзистор: устройство и принцип работы

Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор с тремя выводами, широко применяемый в радиоэлектронных схемах. Первый биполярный транзистор создан в 50-х годах XX века. Его изобретение стало венцом попыток найти более компактный и удобный аналог вакуумного триода. Благодаря появлению транзисторов схемотехника сделала большой шаг вперёд: громоздкую вакуумную лампу, к тому же требующую для работы высокого напряжения, удалось заменить на прибор размером с горошину. В дальнейшем, технологии позволили на одном малюсеньком кристалле полупроводника формировать сразу десятки и сотни транзисторов, что дало начало появлению электронных микросхем и развитию современной электроники. Впрочем, довольно вводных слов, перейдём к делу.

Содержание статьи

• Кратко о полупроводниках
• Устройство транзистора
• Принцип работы транзистора
• Названия выводов биполярного транзистора
• Усилительные свойства транзистора
• Конструктивные особенности транзистора
• Основные параметры транзистора

Кратко о полупроводниках

В основе транзистора лежит кристалл полупроводника. Здесь мы не будем углубляться в строение вещества и свойства полупроводников, интересующиеся могут получить дополнительную информацию здесь. Пока что отметим, что в полупроводниковом кристалле с помощью легирующих примесей можно формировать зоны с разной проводимостью. В зоне типа n проводимость обеспечивают электроны, заряженные отрицательно.  А в зоне типа p - так называемые дырки - положительные ионы, которые потеряли электрон.

Для наглядности на рисунках мы будем обозначать эти зоны вот так:

Устройство транзистора

Биполярный транзистор состоит из трёх чередующихся полупроводниковых зон с разной проводимостью. В зависимости того, как расположены эти зоны, существует два типа транзисторов: p-n-p (прямой проводимости) и n-p-n (обратной проводимости). К каждой из зон подключён свой вывод, выводы называются одинаково для обоих типов транзисторов: средний вывод — база, а по краям эмиттер и коллектор.

Как мы увидим в дальнейшем, в создании электрического тока внутри транзистора участвуют два вида зарядов: электроны и дырки. Отсюда и название «биполярный». Далее я буду писать просто «транзистор» для простоты изложения, но, нужно помнить, что существуют и униполярные (полевые) транзисторы, речь о которых пойдёт в отдельной статье.

Принцип работы транзистора

Какие же процессы происходят в транзисторе?

Если вы знакомы с устройством полупроводникового диода, вы заметили, что транзистор, можно сказать, представляет собой два  диода, включенных навстречу друг другу, с одной общей зоной. Давайте для определённости возьмём n-p-n транзистор и подключим его следующим образом:

На переход база-эмиттер (эмиттерный переход) подано прямое напряжение, этот диод открыт и через него течёт ток. А вот на коллекторном переходе напряжение запирающее: на коллекторе «плюс» относительно базы. Если бы это были два изолированных диода, то на этом бы дело и кончилось. Но! Поскольку зона p общая, тут вступает в силу закон диффузии. Часть электронов, поставляемых эмиттером, не рекомбинирует с дырками базы, а проникает в область коллекторного p-n перехода, и там захватывается мощным плюсом «коллектора». В коллекторной цепи тоже появляется ток.

По описанию может показаться, что в коллектор попадает небольшая часть электронов, поставляемых эмиттером. Но в реальности всё наоборот: только малая часть эмиттерного тока ответвляется в базу, рекомбинируя там с дырками. Большая же часть (грубо говоря,  больше 90%) электронов идут в коллектор и создают коллекторный ток. Это становится возможным потому, что рекомбинация — сравнительно долгий по времени процесс, и электроны успевают заполнить всю область базы и попасть под влияние потенциала коллектора.

При этом сильный коллекторный ток зависит от слабого базового. Ну а если на базу подать запирающее напряжение, «минус» относительно эмиттера, то ток база-эмиттер вовсе прекратится, а следом исчезнет и коллекторный ток.

Названия выводов биполярного транзистора

Кстати, теперь должны стать понятны названия выводов биполярного транзистора. Эмиттер — эмитирует, поставляет заряды (в примере выше — электроны). Коллектор их собирает, стягивает своим мощным потенциалом. Ну а база так называется потому, что в первых точечных транзисторах она конструктивно была основой прибора. Сейчас точечные транзисторы уже не применяются, их вытеснили более технологичные плоскостные приборы, а название осталось.

Следует отметить, что все приведённые выше рассуждения применимы и для p-n-p транзисторов, только нужно поменять знаки напряжений на обратные: транзистор p-n-p открывается «минусом» на базе относительно эмиттера, ну а на коллекторе должен быть минус относительно базы.

Усилительные свойства транзистора

Должность усилителя — одна из основных «работ» транзистора в электронных схемах.  И выше было показано, что слабый сигнал на базе позволяет управлять в разы более мощным коллекторным током, создавая на коллекторе в разы более мощную копию базового сигнала.

Но тут нужно чётко понимать, что сам по себе транзистор не усиливает сигнал и не может получить энергию из ниоткуда, по волшебству. Для создания мощной копии он берёт энергию источника питания. Можно ещё сказать, что от величины базового тока зависит только сопротивление коллекторного p-n перехода. А оно, в свою очередь, определяет силу коллекторного тока.  Лучше понять это помогут следующие рисунки:

Конструктивные особенности транзистора

Из приведёных выше схематических рисунков не очень понятно, чем же эмиттер отличается от коллектора? Вопрос вполне резонный. И  некоторые транзисторы вполне будут работать, даже если при подключении перепутать эмиттер и коллектор местами.

Но давайте взглянем на рисунок, более приближенный к реальной конструкции транзистора, а заодно разберёмся, почему он сделан так а не иначе.

Вот несколько соображений на эту тему:

• Площадь коллекторного p-n перехода должна быть побольше, для более эффективного захвата зарядов.
• Коллекторная зона легируется слабо, то есть там сравнительно мало свободных зарядов на единицу объёма — это позволяет прикладывать к коллекторному переходу гораздо большее напряжение, чем к эмиттерному, без риска пробоя коллекторного перехода.
• Эмиттерная зона, наоборот, легируется сильнее, для более эффективной инжекции зарядов. Но это и делает эмиттерный переход более «нежным». Особенно он боится обратного (запирающего) напряжения: для p-n-p это плюс на базе относительно эмиттера. В некоторых схемах даже ставится специальная защита - обычно с помощью диода.
• В коллекторе меньше свободных зарядов, сопротивление его выше, к тому же коллекторный переход работает в режиме обратного смещения. Всё это приводит к тому, что на нём выделяется основное тепло. Это тоже аргумент в пользу того, чтобы коллекторная зона была побольше, для эффективного рассеивания тепловой энергии.
• К слову, база тоже легируется слабо. База должна быть тонкой по двум причинам. Во-первых, для более эффективной диффузии зарядов, инжектируемых эмиттером. Во-вторых, для большего быстродействия транзистора: чтобы коллекторный ток как можно быстрее реагировал на изменение базового. Но при этом сопротивление базы должно быть высокое, чтобы не было пробоев напрямую между коллектором и эмиттером.

Все эти меры позволяют «выжать» из транзистора максимальный коэффициент усиления. Это величина, которая показывает соотношение между коллекторным и базовым током. У различных транзисторов коэффициент может варьироваться от десятков до сотен и даже тысяч.

Основные параметры транзистора

Один из важнейших параметров транзистора, коэффициент усиления, уже упоминался. Он определяет усилительные способности транзистора, во сколько раз коллекторный ток может быть больше базового. Впрочем, можно также вводить понятия коэффициента усиления по напряжению и по мощности, поэтому при чтении справочников нужно быть внимательным: какой именно коэффициент там приводится.

Многое зависит от области применения транзистора. В маломощных чувствительных усилителях важен коэффициент усиления. В высокочастотных каскадах — предельная частота, на которой ещё сохраняются усительные способности транзистора. Существование предельной частоты обусловлено скоростью работы транзистора, а также ёмкостью коллекторного перехода, которая на высоких частотах начинает играть заметную роль (мы помним, что активное сопротивление конденсатора уменьшается с ростом частоты). Ну а в выходных каскадах мощных усилителей уже не так важны усиление и частота, и на первый план выходят допустимые токи и напряжения.

Поэтому промышленность выпускает множество различных моделей биполярных транзисторов с характеристиками на любой вкус. А оригинальные решения, комбинирующие в одной схеме транзисторы с разными характеристиками, разной проводимостью, позволяют буквально творить чудеса и решать весьма нетривиальные задачи.

При чтении справочников следует обращать внимание на предельные значения, коих у транзистора целый веер. Например, предельно допустимое напряжение коллектора, предельный ток коллектора и предельная мощность. Предельное напряжение базового перехода, предельное обратное напряжение. И так далее. Причём, нужно избегать соблазна рассчитать предельно допустимую мощность как произведение предельного тока и предельного напряжения. По отдельности транзистор способен выдержать предельный ток и предельное напряжение, но если попытаться загнать его в такой режим, когда достигнуты оба этих показателя одновременно — транзистор выйдет из строя. Поэтому, всегда указывают предельную мощность отдельно. Часто можно расширить границы допустимой мощности, установив на транзистор теплоотводящий радиатор.

Отдельно стоит сказать про такой параметр, как неуправляемый обратный ток коллектора. Он создаётся собственными свободными зарядами, которые в небольшом количестве есть в любом полупроводнике. Этот ток не управляется «командами» с базы, кроме того, он сильно зависит от температуры, и способен внести существенные помехи в полезный сигнал.