Транзистор

Транзистор

Транзистор – электронный прибор на базе полупроводникового кристалла, обладающий тремя или более выводами, необходимый для преобразования и генерирования электрических колебаний. Изобретен в 1948 г. Дж. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли. Транзисторы образуют два главных крупных класса: униполярные транзисторы и биполярные транзисторы.

Протекание тока через кристалл в униполярных транзисторах обусловлено носителями заряда лишь одного знака – дырками или электронами.

В биполярных транзисторах ток через кристалл появляется в результате движения носителей заряда обоих знаков. Такой транзистор представляет собой монокристаллическую полупроводниковую пластину, в которой при помощи специальных технологических приемов есть 3 области с различной проводимостью: электронной (n) и дырочной (р). В зависимости от порядка их чередования выделяют транзисторы n-р-n-типа и р-n-р-типа. Средняя область шириной порядка нескольких микрометров, носит название базы, две другие – коллектора и эмиттера. База отделена от коллектора и эмиттера электронно-дырочными переходами: коллекторным (КП) и эмиттерным (ЭП). От базы, коллектора и эмиттера сделаны металлические выводы.

В зависимости от механизма переноса неосновных носителей заряда через базу различают бездрейфовые транзисторы, в базе которых ускоряющее электрическое поле не присутствует и заряды переносятся от эмиттера к коллектору благодаря диффузии, и дрейфовые транзисторы, в которых действуют сразу два механизма переноса зарядов в базе: дрейф в электрическом поле и диффузия. По областям использования и электрическим характеристикам различают транзисторы маломощные, малошумящие (применяются во входных цепях радиоэлектронных усилительных приборов), мощные генераторные (применяются в радиопередающих устройствах), импульсные (применяются в импульсных электронных системах), ключевые (применяются в качестве электронных ключей в системах автоматического регулирования), специальные, фототранзисторы (применяются в устройствах, которые преобразуют световые сигналы в электрические с одновременным их усилением). Различают также низкочастотные транзисторы, предназначенные в основном для работы в ультразвуковом и звуковом диапазонах частот, сверхвысокочастотные свыше 300 МГц и высокочастотные до 300 МГц.

В качестве полупроводниковых материалов для производства транзисторов применяют преимущественно кремний и германий. В соответствии с технологией получения в кристалле зон с различными типами проводимости транзисторы подразделяются на сплавные, сплавно-диффузионные, диффузионные, конверсионные, эпитаксиальные, мезатранзисторы, планарные и планарно-эпитаксиальные. По конструктивному изготовлению транзисторы делятся на транзисторы в герметичных пластмассовых, металлокерамических или металлостеклянных корпусах и бескорпусные; бескорпусные обладают временной защитой кристаллов от воздействия внешней среды в виде тонкого слоя лака, смолы, легкоплавкого стекла и герметизируются вместе с устройством, в котором их изготавливают. Широкое распространение получили планарно-эпитаксиальные кремниевые и планарные транзисторы.

С изобретением транзисторов наступил период минимизации размеров радиоэлектронной аппаратуры на основе достижений быстро развивающейся полупроводниковой электроники. В сравнении с радиоэлектронной аппаратурой первого поколения на электронных лампах подобная по назначению радиоэлектронная аппаратура второго поколения, на базе полупроводниковых приборов и транзисторах, обладает в десятки и сотни раз меньшими массой и габаритами, большей надежностью и потребляет гораздо меньшую электрическую мощность. Размеры полупроводникового элемента современного транзистора довольно малы. Надежность работы транзисторов характеризуется значениями ~ 105 ч. Транзисторы могут работать при низких напряжениях источников питания, потребляя в этом случае токи в несколько микроампер. Мощные транзисторы работают при напряжениях, достигающих 10—30 В, и токах до нескольких десятков ампер, отдавая мощность до 100 Вт.

Верхний предел диапазона частот, которые усиливаются транзистором, достигает 10 ГГц, что соответствует длине волны электромагнитных колебаний, равной 3 см. В области низких частот по шумовым характеристикам транзисторы успешно конкурируют с малошумящими электрометрическими лампами. В области частот до 1 ГГц транзисторы достигают значения коэффициента шума не более 1,5—3,0 дБ. На более высоких частотах коэффициент шума растет, достигая на частотах 6—10 ГГц 6—10 дБ.

Транзистор является главным элементом современных микроэлектронных приборов. Существуют устройства, получившие название интегральных микросхем, сделанные на одном кристалле полупроводника площадью 30—35 мм², с числом электронных устройств до нескольких десятков тысяч. Такие транзисторы являются основой радиоэлектронной аппаратуры третьего поколения. Примером подобной аппаратуры могут служить наручные электронные часы, которые содержат от 600 до 1500 транзисторов, и карманные электронные вычислительные устройства. Переход к применению ИС определил новое направление в производстве и конструировании надежной и малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры, которая получила название микроэлектроники. Достоинства транзисторов в сочетании с достижениями технологии их изготовления дают возможность создавать ЭВМ, которые насчитывают до нескольких сотен тысяч элементов, устанавливать сложные электронные устройства на борту космических летательных аппаратов, производить малогабаритную радиоэлектронную аппаратуру для применения в быту, в медицине, различных областях промышленности и т. д. Наряду с достоинствами транзисторы имеют ряд недостатков, главным образом – ограниченный диапазон рабочих температур. К недостаткам транзисторов относятся также с изменением рабочей температуры значительные изменения их параметров и довольно сильная чувствительность к ионизирующим излучениям.