Основні типи біполярних транзисторів

Існуючі типи транзисторів класифікуються за технологією виготовлення, матеріалами, що застосовуються, особливостями роботи, призначенням, потужністю, діапазоном робочих частот і за іншими ознаками. Точкові транзистори, що історично були першими, давно вже не застосовуються. Як напівпровідники для транзисторів поки використовується переважно германій і кремній, але, мабуть, надалі будуть і інші матеріали. За граничною потужністю що виділяється в колекторному переході, в цей час розрізнюють транзистори малої, середньої і великої потужності, що відповідає значенням Р_к.мах до 0,3 Вт, від 0,3 до 1,5 Вт і більше за
1,5 Вт. У залежності від граничної робочої частоти транзистори бувають низькочастотними (до 3 МГц), середньочастотними (від 3 до 30 МГц) і високочастотними (вище за 30 МГц).

У переважної більшості транзисторів основним фізичним процесом є інжекція носіїв з емітерного переходу, але є група транзисторів, які працюють без інжекції. До них, зокрема, відносяться польові (канальні) транзистори.

Особливо широке розповсюдження отримали біполярні транзистори, що мають два
n-р -переходи. Їх робота була детально описана вище. Потрібно розрізняти два види таких транзисторів: дрейфові, в яких перенесення неосновних носіїв заряду через базу здійснюється головним чином за рахунок дрейфу, тобто під дією прискорюючого електричного поля, і бездрейфові, в яких таке перенесення здійснюється головним чином за рахунок дифузії. Не треба бездрейфові транзистори називати дифузійними, оскільки термін «дифузійний» повинен вказувати не на характер переміщення носіїв, а на технологію виготовлення п-р -переходів методом дифузії.

Треба зазначити, що в бездрейфових транзисторах при інтесивній інжекції зі сторони емітера в базі виникає електричне поле, і тому переміщення носіїв в ній не буде чисто дифузійним. А в базі дрейфових транзисторів, хоч дрейф і є основним видом переміщення носіїв, відбувається також і дифузія носіїв.

Бездрейфві транзистори мають у всій базовій області одну і ту ж концентрацію домішки. Внаслідок цього в базі не виникає електричного поля і носії в ній здійснюють дифузійне переміщення від емітера до колектора. Швидкість такого переміще менше швидкості дрейфу носіїв у прискорюючому полі. Отже, бездрейфові транзистори призначені для більш низьких частот, ніж дрейфові.

У дрейфових транзисторах електричне поле в базі прискорює неосновні носії при їх рушенні до колектора, тому підвищується гранична частота і коефіцієнт посилення струму. Електричне поле в базі створюється за рахунок неоднакової концентрації домішок базової області, що може бути досягнуте при дифузійному методі виготовлення n-р -переходів. Транзистори, виготовлені таким методом, називаються дифузійними. Виникнення електричного поля в базі цих транзисторів пояснюється таким чином. Нехай, наприклад, в базі є донорі домішки для створення електропровідності п -типу. Якщо концентрація цих домішок поблизу емітерного переходу більше, ніж поблизу колекторного переходу, то відповідно вийде неоднакова концентрація основних носіїв в базі, в цьому випадку концентрація електронів. Біля емітерного переходу вона буде більшою. За рахунок цієї різниці частина електронів переміститься туди, де їх концентрація менше, тобто до колекторному переходу (рис.6.16). У базі виникає різниця потенціалів («мінус» ближче до колектора, «плюс» до емітера) і електричне поле, яке гальмує основні носії, тобто перешкоджає подальшому переміщенню електронів. У зрівноваженому стані різниця потенціалів своєю дією на основні носії урівноважує дію різниці концентрацій і в базі встановлюється електричне поле, яке прискорює неосновні носії (дірки), інжектовані з емітера.

Розглянемо тепер основні типи транзисторів, що відрізняються за конструкцією і технологією виготовлення переходів.

Бездрейфові транзистори можуть мати сплавні переходи, отримані за такою же технологією, як і у діодів. Ці транзистори прийнято називати «головними. Принцип їх побудови показаний на рис.6.17. В основну пластинку напівпровідника з двох сторін вплавляють домішки, які створюють емітерну і колекторну області. Оскільки на колекторному переході розсіюється велика потужність, то він звичайно має значно більші розміри, ніж емітерний перехід. Однак можуть бути виготовлені і симетричні сплавні транзистори, у яких обидва переходи однакові.

До емітера і колектора припаюють виводи у вигляді провідників, а вивід бази часто має форму кільця - для зменшення поперечного опору бази. Транзистор вміщується в металевий герметичний корпус, через який виводять у скляних ізоляторах вивідні провідники. У багатьох транзисторах один з вивід (бази або колектора) сполучений з корпусом.

У сплавних транзисторах неможливо зробити дуже тонку базу, і тому вони призначені тільки для низьких і середніх частот. При виготовленні методом вплавлення більш тонкої бази її товщина виходить неоднаковою у різних місцях і щоб уникнути ефекту змикання переходів доводиться зменшувати напругу колекторного переходу, що знижує граничну потужність транзистора.

Потужні сплавні транзистори мають збільшену площу переходів, які виготовляються в формі смуг або кілець. Для кращого охолоджування колектор припаюється до корпусу, основа якого робиться у вигляді більш масивної мідної пластинки.

Сплавні транзистори випускаються на потужності від декількох міліват до десятків ват. Їх перевага в тому, що до колекторного і емітерного переходів можна прикладати зворотну напруги (50 ÷ 70) В для германію і (70 ÷ 150) В для кремнію. Порівняно малі опори емітера бази і колектора дозволяють отримувати в сплавних транзисторах великі струми в імпульсному режимі. Однак граничну частоту f_α практично не вдається зробити вище за
20 МГц. Недоліком сплавних транзисторів є також значний розкид параметрів і характеристик.

Дрейфові транзистори виготовляють на граничні частоти, в десятки разів більш високі, ніж у сплавних транзисторів. Це пояснюється передусім зменшенням часу пробігу носіїв у базі. Як правило, при виготовленні дрейфових транзисторів застосовується метод дифузії, при якому база може бути зроблена дуже тонкою. Колекторний перехід виходить плавним, і тоді його ємність набагато менше, ніж ємність сплавних переходів. За рахунок малої товщини бази коефіцієнти підсилення α і β значно вищі, ніж у сплавних транзисторів. Важливо також, що метод дифузії дозволяє виготовляти транзистори більш точно, з меншим розкидом параметрів і характеристик.

Сплавно-дифузійні транзистори (або дифузійно-сплавні) відрізняються тим, що у них базова область і колекторний перехід виготовлені методом дифузії, а емітерний перехід -методом вплавлення. Багато які сучасні транзистори виготовлені саме таким методом. На
рис.6.18, а для прикладу показаний один з варіантів побудови сплавно-дифузійних германієвих транзисторів p-n-p типу. У пластині германію з електропровідністю р -типу, що є колектором, зроблена лунка, в якій методом дифузії донорних домішок, наприклад сурми, створений тонкий шар бази. Він утворить колекторний перехід. Емітерна область р -типу формується шляхом вплавлення в базовий шар краплі сплаву, що містить акцепторну домішку, наприклад індій. Вивід від бази здійснюється шляхом вплавлення краплі сплаву, що містить сурму. У розглянутій конструкції звичайно з корпусом сполучається колектор. Аналогічно можуть виготовлятися германієві транзистори типу n-p-n, а також кремнієві транзистори. Сплавно-дифузійні транзистори мають робочі частоти до сотень мегагерц, але розраховані на невеликі потужності (100 -150) мВт. Емітерний перехід в них виходить малої товщини, і тому може витримувати тільки низькі зворотні напруги.

Конверсійні транзистори цікаві тим, що в них може бути отриманий тонкий базовий шар великої площі, необхідний для виготовлення більш потужних високочастотних транзисторів. У конверсійних транзисторах дифузійний емітерний перехід утвориться за рахунок зворотної дифузії домішок з напівпровідника в метал емітерного електрода. Для цієї мети служить пластинка германію (початковий матеріал), що містить одночасно донорні і акцепторні домішки. В якості якої застосовується мідь, яка при вплавленні емітерного сплаву енергійно дифундує з германію в емітер. Завдяки цьому в шарі германію, який прилягає до емітера, різко знижується концентрація акцепторних домішок і утвориться шар бази з електронною електропровідністю. Такий процес зміни типу електропровідності називають конверсією.

Транзистори конверсійного типу мають малу ємність С_к і можуть працювати при відносно високих напругах колекторного переходу. Ці транзистори мають хорошу стабільністю і малий розкид параметрів, а також зручні у виробництві. Їх недолік - низька максимальна допустима зворотна напруга емітерного переходу.

У меза-транзисторах застосовується меза-структура, принцип отримання якої був вже розглянутий стосовно діодів. Такі транзистори виготовляються відразу у великій кількості з однієї пластини початкового напівпровідника, що зменшує розкид параметрів. На поверхні цієї пластини, яка повинна служити колектором, методом дифузії створюють шар бази товщиною в декілька мікрометрів. Для кожного транзистора в цей шар вплавляти маленькі краплі сплавів для утворення емітерної області і виводу від бази. Далі проводять травлення поверхні пластинки, захищаючи за допомогою спеціальної маски тільки невеликі ділянки біля бази і емітера. Після того як травленням знятий значний шар основної пластини, її розрізають на окремі транзистори. Структура отриманого транзистора схематично зображена на рис.6.18,.б). Для прикладу показаний германієвий транзистор типу р-п-р.

Меза-транзистори мають малі ємності переходів (С_к менше за 2 пФ), малий опір r_б і можуть працювати на частотах до сотень мегагерц. Зручно і те, що від колектора здійснюється хороший тепловідвід, оскільки він має вивідний контакт порівняно великої площі.

Найкращими з дифузійних є так звані планарні транзистори. У них n-р-n переходи утворяться дифузією домішок крізь отвір в захисному шарі, нанесеному на поверхню напівпровідника. При цьому виводи від усіх областей розташовуються в одній площині. Назва «планарний» дана саме від англійського слова planar - плоский. Для виготовлення цих транзисторів особливо зручно застосовувати кремній, оскільки оксидна плівка на його поверхні може служити хорошим захисним шаром. Початкова пластинка кремнію з плівкою оксиду утворює колекторну область. У тому місці, де повинна бути базова область, оксидна плівка знімається травленням і створюється методом дифузії базовий шар. Потім всю поверхню знов окисляють і повторюють процес травлення і дифузії для створення емітерної області, яка розташовується в середній частині бази. Після цього через маску наносяться виводи у вигляді металевих шарів. Структура планарного транзистора показана на рис.6.10. Планарні транзистори мають хороші якості і набули великого поширення. Вони зручні у виробництві і можуть бути виготовлені на різні потужності з високими граничними частотами. Транзисторні і діодні елементи мікроелектронних схем, як правило, виготовляються за планарною технологією. Планарно-епитаксіальні транзистори є подальшим розвитком планарних транзисторів. У звичайних планарних транзисторів великий опір колекторної області, що невигідно. Наприклад, при роботі в імпульсному режимі у транзистора великий опір насичення R_нас. Якщо зменшити питомий опір матеріалу колектора, то зростає ємність C_к і знижується пробивна напруга колекторного переходу. Ці недоліки усуваються в епітаксіальних транзисторах, в яких між базою і низькоомним колектором введений шар з більш високим опором. При виготовленні таких транзисторів колекторна пластинка напівпровідника, наприклад, з електронною електропровідністю має малий питомий опір. На неї нарощується плівка такого ж напівпровідника, але з високим опором, а потім планарним методом створюються області бази і емітера (рис.6.20). Процес отримання на напівпровідниковій пластині шару, що зберігає структуру пластини, але має іншу питому провідність, називають епітаксиальным нарощуванням. Отримана структура, яку означають n ⁺ - n, входить до складу колектора. Знак «+» вказує на область з більш високою концентрацією домішки, тобто з більш високою питомою провідністю.

У розглянутому транзисторі при малому опорі колектора виходить мала ємність С_к і велика напруга U_{к-б max}. Епітаксиальна технологія широко застосовується при виготовленні мікроелектронний схем.

Існує ряд інших, особливих типів транзисторів, які поки ще не набули досить широкого поширення. До них, наприклад, відносяться транзистори типу р - n- і - р, що мають в базі крім низькоомного шару п -типу, від якого зроблений вивід, ще додатковий, більш високоомний шар i-типу. За рахунок низькоомного шару бази меншає опір r_б, а за рахунок високоомного шару знижується ємність С_к і підвищується U_{к-б max}. Аналогічні властивості мають транзистори з структурою типу n-р-i-n.

Особливий інтерес представляють лавинні транзистори, які працюють в режимі лавинного розмноження носіїв, тобто при напрузі U_к-б, що перевищує значення допустиме для нормальної роботи в режимі підсилення. При деяких умовах лавинні транзистори мають від’ємний вихідний опір a > 1. Це дозволяє застосовувати їх в імпульсних пристроях для генерації коротких імпульсів і перемикання.

У звичайних транзисторах гранична напруга колектор-база складає десятки вольт. Спеціальні високовольтні транзистори мають більш складну структуру колекторного переходу, і гранична напруга доходить у них до декількох сотень вольт. Потужні транзистори працюють при великих струмах, які складають одиниці і десятки ампер. При цьому може спостерігатися небажане явище «витіснення» струму. Воно пояснюється тим, що струм бази, протікаючи до виводу вздовж емітерного переходу, створює на поперечному опорі бази деякий спад напруги. За рахунок цього в центрі емітерного переходу напруга зменшується, а на краях емітерної області, навпаки, збільшується. У результаті інжекція і струм в центральній частині емітера зменшується, а на краях емітера зменшується. Таким чином, площа емітерного переходу використовується нерівномірно і може виникнути перегрів країв емітера.

Для зменшення опору бази і шкідливого ефекту «витіснення» струму до країв емітера в потужних транзисторах електроди виготовляють особливої конфігурації, при якій емітерна область складається з декількох ділянок. Кожна ділянка має невелику площу переходу, а сумарна площа емітерного переходу виходить такою, яка необхідна для протікання великого емітерного струму. У конструкції потужних транзисторів передбачається хороший тепловідвід. Випускаються транзистори потужністю в десятки і навіть сотні ват.