Транзистор

Определение "Транзистор" в Большой Советской Энциклопедии

Бескорпусные транзисторы

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). Транзистор составляют два основных крупных класса: униполярные Транзистор и биполярные Транзистор

Сверхвысокочастотные транзисторы (внешний вид)

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

Сверхвысокочастотный малошумящий транзистор

В биполярных Транзистор (которые обычно называют просто Транзистор) ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков. Такой Транзистор 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 Транзистор 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.

Транзисторы (схема)

Рассмотрим физические процессы, происходящие в Транзистор, на примере Транзистор n—p—n-типа (рис. 1, а). К ЭП прикладывают напряжение U_бэ, 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 U_kб, повышающее потенциальный барьер перехода и увеличивающее его сопротивление (КП включают в направлении запирания или в обратном направлении). Под действием напряжения U_бэ через ЭП течёт ток i_э, 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 i_k. 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 i_б таким образом, i_э = i_k + i_б. Обычно i_б<< i_k, поэтому i_k » i_э и Di_k » Di_э. Величина a = Di_k/Di_э называется коэффициентом передачи тока (иногда — коэффициентом усиления по току), зависит от толщины базы и параметров полупроводникового материала базы и для большинства Транзистор близка к 1. Всякое изменение U_бэ вызывает изменение i_э (в соответствии с вольтамперной характеристикой p—n-перехода) и, следовательно, i_k. Сопротивление КП велико, поэтому сопротивление нагрузки R_н в цепи КП можно выбрать достаточно большим, и тогда Di_k будет вызывать значительные изменение напряжения на нём. В результате на R_н можно получать электрические сигналы, мощность которых будет во много раз превосходить мощность, затраченную в цепи ЭП. Подобные же физические процессы происходят и в Транзистор 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 Транзистор может выполнять функции коллектора, а коллектор — эмиттера (в симметричных Транзистор), для этого достаточно изменить полярность соответствующих напряжений.

В соответствии с механизмом переноса не основных носителей через базу различают бездрейфовые Транзистор, в базе которых ускоряющее электрическое поле отсутствует и заряды переносятся от эмиттера к коллектору за счёт диффузии, и дрейфовые Транзистор, в которых действуют одновременно два механизма переноса зарядов в базе: их диффузия и дрейф в электрическом поле. По электрическим характеристикам и областям применения различают Транзистор 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 Транзистор (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 Транзистор используют преимущественно германий и кремний. В соответствии с технологией получения в кристалле зон с различными типами проводимости (см. Полупроводниковая электроника) Транзистор делят на сплавные, диффузионные, конверсионные, сплавно-диффузионные, мезатранзисторы, эпитаксиальные, планарные (см. Планарная технология) и планарно-эпитаксиальные. По конструктивному исполнению Транзистор подразделяются на Транзистор в герметичных металлостеклянных, металлокерамических или пластмассовых корпусах и бескорпусные (рис. 2а, 2б, 2в); 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 Транзистор

С изобретением Транзистор 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 Транзистор) имеет в десятки и сотни раз меньшие габариты и массу, более высокую надёжность и потребляет значительно меньшую электрическую мощность. Размеры полупроводникового элемента современного Транзистор весьма малы: даже в самых мощных Транзистор площадь кристалла не превышает нескольких мм². Надёжность работы Транзистор (определяется по среднему статистическому времени наработки на один отказ) характеризуется значениями ~10⁵ ч, достигая в отдельных случаях 10⁶ ч. В отличие от электронных ламп Транзистор могут работать при низких напряжениях источников питания (до нескольких десятых долей в), потребляя при этом токи в несколько мка. Мощные Транзистор 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 Транзистор сигналов достигает 10 Ггц, что соответствует длине волны электромагнитных колебаний 3 см. По шумовым характеристикам в области низких частот Транзистор успешно конкурируют с малошумящими электрометрическими лампами. В области частот до 1 Ггц Транзистор 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.

  Транзистор 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. Транзистор 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 Транзистор, 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 Транзистор 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 Транзистор (как и др. полупроводниковые приборы) имеют ряд недостатков, в первую очередь — ограниченный диапазон рабочих температур. Так, германиевые Транзистор работают при температурах не свыше 100 °С, кремниевые 200 °С. К недостаткам Транзистор 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.

Рис. 2в. Внешний вид сверхвысокочастотного малошумящего транзистора (при увеличении приблизительно в 1000 раз).


Рис. 2а. Внешний вид сверхвысокочастотных транзисторов в металлокерамических корпусах.

U — напряжение источников питания; i — ток; стрелками обозначено направление движения электронов (противоположное направлению тока)." href="/a_pictures/18/10/239809959.jpg">U — напряжение источников питания; i — ток; стрелками обозначено направление движения электронов (противоположное направлению тока)."http://uranium.atomistry.com/">U — напряжение источников питания; i — ток; стрелками обозначено направление движения электронов (противоположное направлению тока)." src="a_pictures/18/10/th_239809959.jpg">
Рис. 1. Схематичное изображение транзисторов n — p — n-типа (а) и p — n — p-типа (б) в схеме усилителя электрических колебаний и условные обозначения их на электрических схемах (в, г): Э — эмиттер; Б — база; К — коллектор; Rн — нагрузка; U — напряжение источников питания; i — ток; стрелками обозначено направление движения электронов (противоположное направлению тока).