Транзистор

Транзи́стор (англ. transistor) или полупроводниковый триод — электронное устройство, позволяющее управлять протекающим в электрической цепи током. Cоздание транзистора справедливо считают одним из величайших достижений научно-технической мысли двадцатого столетия, коренным образом изменившим мир. Оно было отмечено Нобелевской премией по физике, присужденной в 1956 г. американцам Джону Бардину, Уолтеру Браттейну и Уильяму Шокли.

Макет точечного транзистора Бардина и Браттейна

Название происходит от двух английских слов — transfer (переносить) и resistor (сопротивление), что можно буквально перевести, как «переходное сопротивление», хотя для понимания принципа работы прибора в электрической цепи удобнее применить смысловой перевод «регулируемое сопротивление».

Транзисторы используются в электронных схемах, предназначенных для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. Транзисторы в режиме работы «электронного ключа» являются основным компонентом получивших широкое распространение цифровых интегральных микросхем.

Свойства полупроводников

Начало изобретению транзистора, как и созданию всей современной элементной базы электронных устройств, было положено после открытия материалов, по удельной проводимости занимающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, и получивших название полупроводников. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений.

Помимо этого, проводящими свойствами полупроводников можно управлять, добавляя в основной материал определённые примеси и создавая так называемую примесную проводимость.

Существует два вида примеси: донорная и акцепторная:

• Донорной называют примесь, легко отдающую свои электроны в качестве свободных электронов проводимости. Это происходит тогда, когда число валентных электронов добавляемой к чистому полупроводнику примеси оказывается больше числа валентных электронов самого полупроводника, тем самым в полупроводниках с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Подобные полупроводники, называются полупроводниками n-типа (n- negative).

• Акцепторной называют примесь, когда число валентных электронов примеси оказывается меньше числа валентных электронов самого полупроводника, оттого в полупроводниках с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки. («Дырка» образуется в атоме, «потерявшем» электрон. Термин устоялся и стал официальным). Полупроводники, основными носителями заряда в котором являются дырки, называются полупроводниками р-типа (р - positive).

Электронно-дырочный переход (p-n переход)

Схематичное изображение р-n-перехода с распределением носителей зарядов

Если между двумя полупроводниками c разными типами проводимости установить пограничный контакт, то основные носители тока — дырки в р-области и свободные электроны в n-области — диффундируют из одной области в другую. Вследствие рекомбинации (взаимной нейтрализации зарядов) электронов и дырок между областями р и n образуется тонкий слой полупроводника, обедненный носителями заряда — р-n переход. В зоне р-n перехода возникает электрическое поле, направленное из n-области к p-области и препятствующее дальнейшей диффузии дырок и электронов. Образуется так называемый потенциальный барьер.

Если к р-области присоединить отрицательный полюс источника постоянного напряжения, а к n-облаcти положительный, то потенциальный барьер возрастет на величину приложенного напряжения и основные носители тока не смогут проходить через р-n переход. Если же наоборот, к р-области присоединить положительный, а к n-облаcти отрицательный полюс источника, то потенциальный барьер снизится и основные носители тока получат возможность проходить через р-n переход.

Таким образом, основным свойством р-n перехода является односторонняя проводимость.

См. также: Диод

История создания транзистора

Ключом к созданию транзистора стало дальнейшее изучение процесса подвижности электронов в полупроводнике. Было понятно, что если найти какой-то способ посредством малого входного сигнала контролировать поток электронов между р и n полюсами, то можно построить усилитель. Напрашивался третий контакт, встроенный в точку (отдельную зону) между полюсами, который мог бы управлять проводимостью прибора наподобие управляющей сетки электровакуумного (лампового) триода.

В 1923 году советский инженер Олег Лосев обнаружил, что особый режим работы точечного кристаллического детектора, который представляет собой кристалл какого-либо полупроводника, в который упирается тонкая проволочка из металла, обеспечивает усиление сигнала (кристадин Лосева). Однако это открытие применялось редко, в основном среди радиолюбителей, поскольку точку соприкосновения проволоки и кристалла надо было находить опытным путём и коэффициент усиления был величиной непостоянной.

В 1930-е годы первую известную попытку создания кристаллического усилителя предпринял немецкий физик Юлиус Лилиенфельд, запатентовавший своё устройство; в те же годы немецкий учёный Оскар Хейл и немецкий физик Роберт Поль создали действующие образцы кристаллических усилителей, однако построить устойчиво работающие приборы не удавалось, так как в то время еще не было достаточно чистых материалов и технологий их обработки.

Схематичное изображение конструкции точечного транзистора

Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948 год

16 декабря 1947 года физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и физик-теоретик Джон Бардин, работавшие в кампании Bell Labs, собрали первый работоспособный точечный транзистор с коэффициентом усиления по напряжению 15, а по мощности 1,3.

Параллельно с Bell Labs точечный транзистор под названием «транзитрон» создали немецкие физики Герберт Матаре и Генрих Велкер в парижском филиале компании Westinghouse при поддержке французского правительства. Патент на это устройство был оформлен на шесть месяцев позже патента Бардина и Браттейна.

Однако выпуск точечных транзисторов был сложным в производстве и сопровождался большим браком. На смену им пришли транзисторы с плоскостным биполярным переходом, имевшие гораздо лучшие характеристики, а впоследствии были созданы и получили самое широкое распространение полевые транзисторы.

Плоскостной биполярный транзистор

В январе 1948 года американский учёный-физик Уильям Шокли изобрёл плоскостной двухпереходный p-n-p транзистор, а затем подвёл под своё изобретение научную теорию, объяснявшую его работу; 30 июня 1948 года в нью-йоркском офисе Bell Labs изобретение было впервые продемонстрировано руководству компании.

Осмысливая накопленный опыт, Шокли по-новому взглянул на точечный и плоскостный полупроводниковые диоды. Поскольку точечный транзистор представляет собой два сближенных точечных диода, Шокли провел теоретическое исследования пары сближенных плоскостных диодов и создал основы теории плоскостного биполярного транзистора в кристалле полупроводника, содержащем два р-n-перехода. Основой изготовления биполярного транзистора является создание среднего слоя, базы, такого тонкого, насколько это возможно без замыкания внешних слоев. Одна из р-областей в таком транзисторе является генератором носителей заряда, которые формируют рабочий ток, она называется эмиттером (англ.emitter — излучатель), вторая р-область называется коллектор (англ.collector — собиратель), промежуточная, управляющая n-область представляет собой базу транзистора.

Таким образом, в транзисторе вместо металлических точечных контактов используются две пограничные плоскостные (планарные) p-n и n-p области. Принцип работы биполярного транзистора основан на регулировании тока, протекающего между эмиттером и коллектором, током базы, причём перенос заряда осуществляется разнополярными носителями — электронами и дырками.

С точки зрения типов проводимостей (p или n) эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования, что позволяет улучшить электрические параметры прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение, эмиттерный слой легируется сильно. Слой базы также легируется слабо, поскольку располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Если применить легирование внешних слоёв и базы обратными видами примесей, транзистор будет иметь структуру n-p-n. Принцип работы прибора и название слоёв не меняются, меняется полярность подключения электродов в схеме. Транзисторы со структурой p-n-p получили название транзисторов прямой проводимости, тогда как транзисторы со структурой n-p-n называются транзисторами обратной проводимости.

• Схематичное изображение слоёв в планарных транзисторах типов p-n-p и n-p-n
• 
• 

Массовое производство германиевых транзисторов — первых полноценных биполярных транзисторов — началось в 1951 году в компании Western Electric.

Полевой транзистор

Создание биполярного и полевого транзисторов произошло разными путями. Основной принцип полевого транзистора (англ. Field-Effect Transistor — FET) был впервые предложен в 1926 году ранее упомянутым физиком Юлиусом Лилиенфельдом. Концепция полевого транзистора была также теоретически обоснована Оскаром Хейлом в 1930-х годах и Уильямом Шокли в 1940-х годах. Тем не менее, работоспособный полевой транзистор был создан уже после создания биполярного транзистора.

Несмотря на то, что полевые транзисторы основаны на простом электростатическом эффекте поля и по протекающим в них физическим процессам проще и понятнее биполярных, создать работоспособный образец полевого транзистора не удавалось. Создатели не могли обойти неизвестные на тот момент явления в поверхностном слое полупроводника, не позволявшие управлять электрическим полем внутри кристалла у транзисторов типа МДП (транзистор «металл-диэлектрик-полупроводник»).

• Схематичное изображение устройства и принципа действия полевого транзистора
• 
• 

В 1953 году Джордж Клемент Дейси и Ян Росс предложили и реализовали конструкцию полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Работа прибора основана на сужении/расширении токопроводящего участка под воздействием электрического поля, образованного подачей на управляющий электрод (затвор) определенного напряжения.

Мохамед Аталла - директор по исследованиям полупроводников, 1963 год

В 1957 году инженер Bell Labs Мохамед Аталла предложил новый метод изготовления полевых полупроводниковых устройств: покрытие кремниевой пластины изолирующим слоем оксида кремния, чтобы электрическое поле могло преодолеть поверхностный слой кристалла кремния и надежно проникнуть внутрь. Опираясь на этот метод, он разработал технологию «металл-оксид-полупроводник» (МОП) и предположил, что её можно использовать для создания кремниевого полевого транзистора, а в 1959 году Аталла и его корейский коллега Давон Кан уже создали работающий первый полевой транзистор, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкого спектра использования.

Развитие транзисторных технологий

Несмотря на малые размеры и экономичность, первые транзисторы отличались высоким уровнем шумов, маленькой мощностью, нестабильностью характеристик во времени и сильной зависимостью параметров от температуры. Точечный транзистор, не являясь монолитной конструкцией, был чувствителен к ударам и вибрациям. Плоскостные транзисторы были более устойчивы к механическим воздействиям и обладали лучшими характеристиками в сравнении с точечными. Однако первоначальные технологии по их созданию были несовершенны, контролировать содержание примесей еще не удавалось и получить два одинаковых по характеристикам транзистора было затруднительно.

Первый плоскостной транзистор был изготовлен 12 апреля 1950 года методом выращивания из расплава. За ним последовали сплавной транзистор, «электрохимический» транзистор и диффузионный меза-транзистор. С 1951 года начинается серийное производство германиевых планарных транзисторов.

Логотип кампании Bell Telephone Labs

В 1954 году компанияTexas Instruments выпустила первый кремниевый транзистор. В 1959 году в компании Fairchild Semiconductor была предложена конструкция планарного транзистора, в которой в приповерхностном слое кремниевой пластины создаются области с разным типом проводимости или разной концентрацией примесей, что в совокупности образует структуру полупроводникового прибора. Согласно этому процессу, область эмиттера создавалась путем диффузии примеси в базовую область, имеющую каплеобразную форму. Базовая область, в свою очередь, формировалась в результате диффузии примеси другого типа в подложку, служащую коллектором.

В июне 1960 года сотрудники фирмы Bell Telephone Labs разработали новый технологический процесс, основанный на создании транзисторных структур в эпитаксиальном слое, выращенном на монокристаллической кремниевой подложке - в этом случае характеристики приборов уже не зависели от материала подложки, что позволяло изготавливать транзисторы с тонкой областью базы и низким сопротивлением коллектора на достаточно толстой прочной подложке. К тому же, на поверхности кремния стало возможным получать естественный окисел – диоксид кремния, в котором оказалось достаточно легко сформировать маску, требуемую для получения элементов прибора. Легируя кремний примесями через окна в окисле, специалисты фирмы сумели локально менять его проводимость. По сравнению с германием кремний обладает более стабильными температурными характеристиками; помимо этого, кремний весьма распространённый элемент, его производство обходится дешевле, поэтому в большинстве случаев кремний вытеснил германий.

В процессе развития и совершенствования технологий характеристики транзисторов быстро улучшались, и вскоре они стали активно конкурировать с электронными радиолампами, а впоследствии практически полностью их вытеснили.

Классификация транзисторов

Классифицировать транзисторы можно по следующим основным критериям:

По основному полупроводниковому материалу

Эта классификация указывает на применённый полупроводниковый материал — кремний, германий, арсенид галлия и другие. Кроме того, в настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок.

По структуре

 

 

 

 

Транзисторы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биполярные

 

 

 

 

 

 

Полевые

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p-n-p

 

n-p-n

 

С затвором в виде p-n-перехода

 

С изолированным затвором

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С каналом n-типа

 

С каналом p-типа

 

Со встроенным каналом

 

С индуцированным каналом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С каналом n-типа

 

С каналом p-типа

 

С каналом n-типа

 

С каналом p-типа

 

 

По исполнению

• 

  Дискретные транзисторы

• 

  Транзисторы в составе интегральных схем

Условные графические изображения транзисторов

Все обозначения, приведённые ниже, соответствуют требованиям ГОСТ 2.730-73 «Единая система конструкторской документации».

Условные графические обозначения биполярных транзисторов

• 

  Транзистор структуры p-n-p

• 

  Транзистор структуры n-p-n

Условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

• 

  Транзистор с каналом p-типа

• 

  Транзистор с каналом n-типа

Условные графические обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором

• 

  МОП-транзистор с индуцированным p-каналом

• 

  МОП-транзистор с индуцированным n-каналом

• 

  МОП-транзистор с встроенным p-каналом

• 

  МОП-транзистор с встроенным n-каналом

Многоэмиттерные транзисторы

Многоэмиттерный транзистор

Многоэмиттерные транзисторы применяются только как компоненты интегральных микросхем в составе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Эмиттеры расположены таким образом, что прямое взаимодействие между ними исключается, благодаря чему эмиттерные переходы можно рассматривать как параллельно включенные диоды. Число эмиттеров определяет число входов логического элемента «И». Применение многоэмиттерных транзисторов и логических устройств ТТЛ-типа позволяет минимизировать число элемен­тов, составляющих интегральную схему.

Схемы включения транзистора

Транзистор — трёхэлектродный прибор, поэтому схема включения для подачи входного сигнала и съёма выходного должна содержать одну общую точку. Соответственно тому, какой из электродов в схеме включения транзистора будет являться общим, различают три основные схемы включения, приведённые ниже.

Схемы включения биполярного транзистора

• с общим эмиттером (ОЭ) — осуществляет усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема;
• с общим коллектором (ОК) — осуществляет усиление только по току — применяется для согласования источника сигнала с высоким выходным сопротивлением с низкоомным сопротивлением нагрузки (эмиттерный повторитель);
• с общей базой (ОБ) — усиление только по напряжению, в однотранзисторных схемах усиления применяется редко (в усилителях СВЧ). Обычно работает в составных схемах (например, каскодных, представляющих собой каскад с общим эмиттером, подключенный к каскаду с общей базой).

• Схемы включения биполярных транзисторов в усилительных каскадах
• 

  Схема транзисторного каскада с общим эмиттером

• 

  Схема транзисторного каскада с общим коллектором

• 

  Схема транзисторного каскада с общей базой

• 

  Каскодная схема включения транзисторов

Схемы включения полевого транзистора

Полевые транзисторы как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) могут быть включены по следующим схемам:

• с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора;
• с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора;
• с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

• Схемы включения полевых транзисторов в усилительных каскадах
• 

  Схема включения полевого транзистора с общим истоком

• 

  Схема включения полевого транзистора с общим стоком

• 

  Схема включения полевого транзистора с общим затвором

На практике в усилительных каскадах чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим истоком даёт наибольшее усиление по мощности.

Схема с ОС аналогична каскаду с общим коллектором (ОК) для биполярного транзистора. Коэффициент усиления по напряжению в этой схеме всегда немного меньше единицы, а коэффициент усиления по мощности занимает промежуточное значение между ОЗ и ОИ. Преимущество этого каскада — очень низкая входная паразитная ёмкость.

Схема с ОЗ аналогична схеме с общей базой (ОБ). В этой схеме ток стока равен току истока, поэтому она не даёт усиления по току, и усиление по мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Схема с ОЗ обладает низким входным сопротивлением.

Транзисторный ключ

Вольтамперная характеристика транзистора

Если рассмотреть характеристику зависимости коллекторного тока транзистора от величины входного сигнала (вольтамперная характеристика), становится видно, что можно подобрать такие два уровня входного сигнала, при которых транзистор будет находиться либо в состоянии отсечки (англ.cutoff region), либо в состоянии насыщения (англ.saturation region).

Схематичное изображение работы транзистора в ключевом режиме

• В первом случае транзисторный ключ находится в закрытом (выключенном) состоянии, ток в цепи транзистор-нагрузка минимальный и им можно пренебречь.
• Во втором случае транзисторный ключ находится в открытом (включённом) состоянии, ток в цепи максимальный и фактически ограничен только сопротивлением нагрузки.

Подобный режим позволяет получить два устойчивых состояния транзистора типа «включено-выключено» и используется в цифровых электронных схемах, работая в качестве инструмента реализации как логических, так и вычислительных задач.

Силовые транзисторы (англ.IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor)

Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются новым типом активного прибора, появившимся сравнительно недавно, в конце 1980-х годов. Входные характеристики данных приборов подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного.

• 

  Условное графическое изображение транзистора IGBT

• 

  Схематичное изображение внутренней структуры

• 

  Внешний вид транзисторной сборки с рабочими параметрами 3300 V, 1200 A

Транзисторы этого типа обладают:

• высоким входным сопротивлением;
• низким остаточным напряжением в открытом состоянии;
• малыми потерями при высоких токах и напряжениях.

Основное применение силовых транзисторов — в инверторных источниках сварочного тока, в управлении мощными электроприводами, в том числе используемыми на электрическом транспорте (после распространения асинхронных тяговых электродвигателей вместо электродвигателей постоянного тока). Применение силовых транзисторов позволяет обеспечить высокий коэффициент полезного действия (КПД), высокую плавность хода транспортного средства и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.