Основные типы биполярных транзисторов

Существующие типы транзисторов классифицируются по методу изготов­ления, применяемым материалам, осо­бенностям работы, назначению, мощ­ности, диапазону рабочих частот и по другим признакам. Точечные транзисто­ры, исторически бывшие первыми, давно уже не применяются. В качестве полупроводников для транзисторов пока используются только германий и кремний, но, по-видимому, в дальнейшем будут и другие материалы. По предель­ной мощности, выделяемой в коллектор­ном переходе, в настоящее время раз­личают транзисторы малой, средней и большой мощности, что соответствует значениям Р_Кmа_Х до 0,3 Вт, от 0,3 до 1,5 Вт и более 1,5 Вт. В зависимости от предельной рабочей частоты транзи­сторы бывают низкочастотными (до 3 МГц), среднечастотными (от 3 до 30 МГц) и высокочастотными (выше 30 МГц).

У подавляющего большинства тран­зисторов основным физическим процес­сом является инжекция носителей в эмиттерном переходе, но имеется группа транзисторов, работающих без инжекции. К ним, в частности, относятся полевые (канальные) транзисторы (см. гл. 7).

Исключительно широкое распростра­нение получили биполярные транзисто­ры, имеющие два п — р-перехода. Их работа была подробно описана выше. Следует различать два вида таких тран­зисторов: дрейфовые, в которых перенос неосновных носителей заряда через ба­зу осуществляется главным образом посредством дрейфа, т. е. под действием ускоряющего электрического поля, и бездрейфовые, в которых такой перенос осуществляется главным образом посредством диффузии. Не следует бездрейфовые транзисторы называть диффузионными, так как термин «диффузионный» должен указывать не на характер движения носителей, а на технологию создания п — р-переходов методом диффузии.

Надо отметить, что в бездрейфовых транзисторах при большой инжекции со стороны эмиттера в базе возникает электрическое поле, и поэтому дви­жение носителей в ней не будет чисто диффузионным. А в базе дрейфовых транзисторов, хотя дрейф и является основным видом движения носителей, происходит также и диффузия носи­телей.

Бездрейфовые транзисторы имеют во всей базовой области одну и ту же концентрацию примеси. Вследствие этого в базе не возникает электрического поля и носители в ней совершают диффузионное движение от эмиттера к коллектору. Скорость такого движения меньше скорости дрейфа носителей в ускоряющем поле. Следовательно, бездрейфовые транзисторы предназначе­ны для более низких частот, нежели дрейфовые.

В дрейфовых транзисторах электрическое поле в базе ускоряет неосновные носители при их движении к коллектору, поэтому повышается предельная частота и коэффициент усиления тока. Электрическое поле в базе создается за счет неодинаковой концентрации примесей базовой области, что может быть достигнуто при диффузионном методе изготовления п — р-переходов. Транзисторы, изготовленные таким методом, называются диффузионными. Возникновение электрического поля в базе этих транзисторов объясняется следующим образом. Пусть, например, в базе имеются донорные примеси для создания электропроводности n-типа. Если концентрация этих примесей вбли­зи эмиттерного перехода больше, нежели вблизи коллекторного перехода, то соответственно получится неодинаковая концентрация основных носителей в базе, в данном случае концентрация электронов. Около эмиттерного перехода она будет больше. За счет этой разности часть электронов переместится туда, где их концентрация меньше, т. е. к коллекторному переходу (рис. 6.16). В базе возникает разность потенциалов («минус» ближе к коллектору, «плюс» — к эмиттеру) и электрическое поле, которое тормозит основные носители, т. е. пре­пятствует дальнейшему смещению электронов. В равновесном состоянии разность потенциалов своим действием на основные носители уравновешивает дей­ствие разности концентраций и в базе устанавливается электрическое поле, ускоряющее неосновные носители (дыр­ки), инжектированные из эмиттера.

Рассмотрим теперь основные типы транзисторов, различающиеся по кон­струкции и принципу изготовления переходов.

Бездрейфовые транзисторы могут иметь сплавные переходы, полученные по такой же технологии, как у диодов. Эти транзисторы принято называть сплавными. Принцип их устройства пока­зан на рис. 6.17. В основную пластинку полупроводника с двух сторон вплавляются примеси, образующие эмиттерную и коллекторную, область. Так как на коллекторном переходе рассеивается большая мощность, то он обычно имеет значительно большие размеры, чем эмиттерный переход. Однако могут быть изготовлены и симметричные сплавные транзисторы, у которых оба перехода одинаковы.

К эмиттеру и коллектору припаиваются выводы в виде проводничков, а вывод базы часто имеет форму кольца — для уменьшения поперечного сопротивления базы. Транзистор помещается в металлический герметический корпус, через который проходят в стеклянных изоляторах выводные провод­ники. Во многих транзисторах один из выводов (базы или коллектора) соединен с корпусом.

В сплавных транзисторах невозмож­но сделать очень тонкую базу, и по­этому они предназначены только для низких и средних частот. При создании методом вплавления более тонкой базы ее толщина получается неодинаковой в разных местах и во избежание эффекта смыкания переходов приходится уменьшать напряжение коллекторного перехода, что снижает предельную мощность транзистора.

Мощные сплавные транзисторы име­ют увеличенную площадь переходов, которые изготовляются в форме полос или колец. Для лучшего охлаждения коллектор припаивается к корпусу, ос­нование которого делается в виде более массивной медной пластинки.

Сплавные транзисторы выпускаются на мощности от нескольких милливатт до десятков ватт. Их достоинство в том, что на коллекторном и эмиттерном переходе можно допустить обратное напряжение 50 — 70 В для германия и 70—150 В для кремния. Сравнительно малые сопротивления эмиттера базы и коллектора позволяют получать в сплавных транзисторах большие токи в импульсном режиме. Однако предельную частоту f_а практически не удается сделать выше 20 МГц. Недостатком сплавных транзисторов является также зна­чительный разброс параметров и характеристик.

Дрейфовые транзисторы делаются на предельные частоты, в десятки раз более высокие, нежели у сплавных тран­зисторов. Это объясняется, прежде всего, уменьшением времени пробега носите­лей в базе. Как правило, при изготов­лении дрейфовых транзисторов приме­няется метод диффузии, при котором база может быть сделана очень тонкой. Коллекторный переход получается плавным, и тогда его емкость гораздо меньше, чем емкость сплавных переходов. За счет малой толщины базы ко­эффициенты усиления аир значительно выше, чем у сплавных транзисторов. Важно также, что метод диффузии позволяет изготовлять транзисторы более точно, с меньшим разбросом параметров и характеристик.

Сплавно-диффузионные транзисторы (или диффузионно-сплавные) отличаются тем, что у них базовая область и коллекторный переход изготовлены методом диффузии, а эмиттерный переход — методом вплавления. Многие наши транзисторы изготовлены именно таким методом. На рис. 6.18, а для примера показан один из вариантов устройства сплавно-диффузионных германиевых транзисторов р — п — р-типа. В пластине германия с электропроводностью р-типа, являющейся коллектором, сделана лун­ка, в которой методом диффузии донор-ной примеси, например сурьмы, создан тонкий слой базы. Он образует кол-

лекторный переход. Эмиттерная область р-типа создается вплавлением в базовый слой капли сплава, содержащего акцеп­торную примесь, например индий. Вы­вод от базы осуществляется вплавлением капли сплава, содержащего сурьму. В рассмотренной конструкции обычно с корпусом соединяется коллектор. Аналогично могут изготовляться германиевые транзисторы типа п—р—п, а также кремниевые транзисторы. Сплавно-диффузионные транзисторы имеют рабочие частоты до сотен мегагерц, но рассчитаны на небольшие мощности (100—150 мВт). Эмиттерный переход в них получается малой толщины, и поэтому может выдерживать только низ­кие обратные напряжения.

Конверсионные транзисторы инте­ресны тем, что в них может быть получен тонкий базовый слой большой площади, необходимый для изготовле­ния более мощных высокочастотных транзисторов. В конверсионных тран­зисторах диффузионный эмиттерный переход образуется за счет обратной диффузии примеси из полупроводника в металл эмиттерного электрода. Для этой цели служит пластинка германия (исходный материал), содержащая одновременно донорные и акцепторные примеси. В качестве последней применяется медь, которая при вплавлении эмиттерного сплава энергично диффундирует из германия в эмиттер. Благо­даря этому в слое германия, прилегающем к эмиттеру, резко снижается кон­центрация акцепторной примеси и образуется слой базы с электронной электропроводностью. Такой процесс перемены типа электропроводности называют конверсией.

Транзисторы конверсионного типа имеют малую емкость С_к и могут ра­ботать при относительно высоких напряжениях коллекторного перехода. Эти транзисторы обладают хорошей ста­бильностью и малым разбросом параметров, а также удобны в производстве. Их недостаток — низкое максимальное допустимое обратное напряжение эмиттерного перехода.

В мезатранзисторах применяется мезаструктура, принцип получения которой был уже рассмотрен применитель­но к диодам (§ 3.8). Такие транзисторы изготовляются сразу в большом коли­честве из одной пластины исходного полупроводника, что уменьшает разброс параметров. На поверхности этой плас­тины, которая должна служить коллек­тором, методом диффузии создают слой базы толщиной в несколько микромет­ров. Для каждого транзистора в этот слой вплавляют маленькие капли спла­вов для образования эмиттерной области и вывода от базы. Далее производят травление поверхности пластинки, защищая с помощью специальной маски только небольшие участки около базы и эмиттера. После того как травлением снят значительный слой основной пластины, ее разрезают на отдельные тран­зисторы. Структура полученного транзистора схематически изображена на рис. 6.18, б. Для примера показан герма­ниевый транзистор типа р — п — р.

Мезатранзисторы имеют малые емкости переходов (С_к менее 2 пФ), малое сопротивление г_б и могут работать на частотах до сотен мегагерц. Удобно и то, что от коллектора осуществляется хороший теплоотвод, так как он имеет выводной контакт сравнительно большой площади.

Наилучшими из диффузионных явля­ются так называемые планарные тран­зисторы. У них п— р-переходы образу­ются диффузией примесей сквозь отвер­стие в защитном слое, нанесенном на поверхность полупроводника. При этом выводы от всех областей располагаются в одной плоскости. Название «планарный» дано именно от английского слова planar — плоский. Для изготовления этих транзисторов особенно удобно приме­нять кремний, так как оксидная пленка на его поверхности может служить хо­рошим защитным слоем. Исходная пластинка кремния с пленкой оксида образует коллекторную область. В том месте, где должна быть базовая область, оксидная пленка снимается травлением и создается методом диффузии базовый слой. Затем всю поверхность снова окисляют и повторяют процесс травле­ния и диффузии для создания эмиттерной области, которая располагается в средней части базовой. После этого через маску наносятся выводы в виде металлических слоев. Структура планарного транзистора показана на рис. 6.19. Планарные транзисторы обладают хо­рошими качествами и получили большое распространение. Они удобны в производстве и могут быть изготовлены на различные мощности с высоки­ми предельными частотами. Транзисторные и диодные элементы микроэлектрон-

Рис. 6.19. Принцип устройства планарного транзистора

ных схем, как правило, изготовляются по планарной технологии.

Планарно-эпитаксиалъные транзисторы являются дальнейшим развитием планарных транзисторов. У обычных планарных транзисторов велико сопро­тивление коллекторной области, что невыгодно. Например, при импульсной работе в режиме насыщения у тран­зистора большое сопротивление насыщения R_нас. Если уменьшить удельное сопротивление материала коллектора, то возрастает емкость С_к и снижается пробивное напряжение коллекторного перехода. Эти недостатки устраняются в эпитаксиальных транзисторах, в которых между базой и низкоомным коллектором введен слой с более высоким сопротивлением. При изготовлении таких транзисторов коллекторная пластинка полупроводника, например, с электронной электропроводностью имеет малое удельное сопротивление. На нее наращивается пленка такого же полупроводника, но с высоким сопротивлением, а затем планарным методом создаются области базы и эмиттера (рис. 6.20).

Процесс получения на полупровод­никовой пластине слоя, сохраняющего структуру пластины, но имеющего иную удельную проводимость, называют эпи-

Рис. 6.20. Принцип устройства планарно-эпитаксиального транзистора

таксиальным наращиванием. Полученная структура, которую обозначают п⁺— п, входит в состав коллектора. Знак «+» указывает на область с более высокой концентрацией примеси, т. е. с более высокой удельной проводимостью.

В рассмотренном транзисторе при малом сопротивлении коллектора получается малая емкость С_к и большое напряжение U_к__бmах. Эпитаксиальная технология широко применяется при изготовлении микроэлектронных схем.

Существует ряд других, особых типов транзисторов, которые пока еще не получили достаточно широкого распространения. К ним, например, относятся транзисторы типа p — n — i — p, имеющие в базе кроме низкоомного слоя n-типа, от которого сделан вывод, еще дополнительный, более высокоомный слой i-типа. За счет низкоомного слоя базы уменьшается сопротивление г_б, а за счет высокоомного слоя снижается емкость С_к и повышается U_K.6max. Аналогичными свойствами обладают транзисторы n—p — i — n.

Особый интерес представляют лавинные транзисторы, работающие в режиме лавинного размножения носителей, т. е. при напряжении U_K._б, превышающем допустимое для нормальной работы в режиме усиления. При некоторых условиях лавинные транзисторы имеют отрицательное выходное сопротивление и а > 1. Это позволяет применять их в импульсных устройствах для генерации коротких импульсов и переключения.

У обычных транзисторов предельное напряжение коллектор — база составляет десятки вольт. Специальные высоковольтные транзисторы имеют более сложную структуру коллекторного перехода, и предельное напряжение доходит у них до нескольких сотен вольт. Импульсное предельное напряжение может достигать 1,5 кВ.

Мощные транзисторы работают при больших токах — единицах и десятках ампер. При этом может наблюдаться нежелательное явление «вытеснения» то­ка. Оно объясняется тем, что ток базы, протекая к выводу базы вдоль эмиттер­ного перехода, создает на поперечном сопротивлении базы некоторое падение напряжения. За счет этого в центре эмиттерного перехода напряжение уменьшается, а на краях эмиттерной области, наоборот, увеличивается. В результате инжекция и ток в центральной части эмиттера меньше, а на краях эмиттера больше. Таким образом, площадь эмиттерного перехода используется неравномерно и может возникнуть перегрев краев эмиттера.

Для уменьшения сопротивления базы и вредного эффекта «вытеснения» тока к краям эмиттера в мощных транзисторах создают электроды особой кон­фигурации, при которой эмиттерная область состоит из нескольких участков. Каждый участок имеет небольшую площадь перехода, а суммарная площадь эмиттерного перехода получается такой, какая необходима для протекания большого эмиттерного тока. Существует не­сколько вариантов этих транзисторов. Чаще всего встречается гребенчатая конструкция, в которой эмиттерная область имеет форму гребенки, а контакты эмиттера и базы чередуются друг с другом (рис. 6.21, а). Другой вариант — многоэмиттерная конструкция (рис. 6.21, б), в которой используется ряд отдельных эмиттеров в виде полосок (они могут иметь также форму квадратов или кругов). Все эти эмиттеры соединены параллельно металлическим контактным слоем, нанесенным поверх слоя защитной оксидной пленки. Иногда мощный транзистор представ­ляет собой несколько параллельно соединенных транзисторов, каждый из которых сделан многоэмиттерным. В конструкции мощных транзисторов предусматривается хороший теплоотвод. Вы­пускаются транзисторы мощностью в десятки и даже сотни ватт.

Применение транзисторов для усиления колебаний СВЧ весьма желательно, так как по сравнению с другими полупроводниковыми и электровакуумными усилительными приборами они имеют меньший уровень собственных шумов, более высокий КПД и низкое напряжение питания. Однако изготовление СВЧ-транзисторов представляет значи­тельные технологические трудности. В настоящее время разработаны как мало­мощные, так и мощные биполярные транзисторы из германия, кремния или арсенида галлия для частот в единицы и даже десятки гигагерц. Наилучшие результаты дает изготовление подобных транзисторов по планарной технологии. В частности, так изготовляются кремниевые СВЧ-транзисторы типа п — р — п. Мощные СВЧ-транзисторы могут рабо­тать при мощности в импульсе до 100 Вт на частоте до 1 ГГц и 5 — 10 Вт на частоте 4 — 5 ГГц и выше. Тран­зисторы малой мощности имеют очень малые размеры. Например, на кремние­вой пластинке диаметром 40 мм форми­руется 8000 транзисторов размером 0,4x0,4 мм. Подобные транзисторы делаются обычно бескорпусными, и их часто применяют в микросхемах. Важное значение для работы транзистора на СВЧ имеет конструкция корпуса и выводов, обеспечивающая минимальное влияние паразитных емкостей и индук-тивностей. Применяются, в частности, корпуса с полосковыми, а для более высоких частот — с коаксиальными выводами.

Транзисторы оформляют в герметичных корпусах различной конструкции (металлостеклянные, металлокерамиче-кие и пластмассовые). Некоторые мало­мощные транзисторы делают бескорпусными и герметизируют защитными слоями лака и эпоксидной смолы. У транзисторов повышенной мощности с корпусом, как правило, соединяется коллектор, а сам корпус привинчивается к шасси аппаратуры, что улучшает теплоотвод.

Помимо одиночных транзисторов промышленность выпускает так называемые транзисторные сборки, т. е. находящиеся в одном корпусе два или четыре транзистора с самостоятельными выводами. Эти сборки применяются главным образом для переключательных схем.

Дата добавления: 2014-01-14