ТРАНЗИСТОР

ТРАНЗИСТОР (от англ. transfer
- переносить и resistor - сопротивление),

электронный прибор на основе полупроводникового
кристалла, имеющий три (или более) вывода, предназначенный для генерирования
и преобразования электрич. колебаний. Изобретён в 1948 У. Шокли, У.
Браттейном и Дж. Бардином (Нобелевская пр., 1956).
Т. составляют два осн. крупных класса: униполярные Т. и биполярные Т.

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

В биполярных Т. (к-рые обычно наз.
просто Т.) ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда
обоих знаков. Такой Т. представляет собой (рис. 1) монокристаллич.
полупроводниковую пластину, в к-рой с помощью особых технологич. приёмов
созданы 3 области с разной проводимостью: дырочной (р) и электронной
(n).

Рис. 1. Схематическое изображение транзисторов
п-р-n- типа (а) и р-п-р- типа (б) в схеме усилителя электрических
колебаний н условные обозначения их на электрических схемах (в, г): Э -
эмиттер; Б - база; К - коллектор; RU - напряжение
источников питания; i - ток; стрелками обозначено направление движения
электронов (противоположное направлению тока).

В зависимости от порядка их чередования
различают Т. р-п-р-типа и п-р-n-типа. Средняя область (её
обычно делают очень тонкой) - порядка неск. мкм, наз. 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 металлич. выводы.

Рассмотрим физич. процессы, происходящие
в Т., на примере Т. п-р-n-типа (рис. 1, а). К ЭП прикладывают
напряжение Uи тем самым уменьшает его сопротивление электрич. току (т. е. ЭП включают
в направлении пропускания электрич. тока, или в прямом направлении),
а к КП - напряжение Uи увеличивающее его сопротивление (КП включают в направлении запирания
или в обратном направлении). Под действием напряжения Uчерез ЭП течёт ток i(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 iвсе инжектированные электроны достигают КП: часть их по пути рекомбинирует
с осн. носителями в базе - дырками (число рекомбинировавших электронов
тем меньше, чем меньше толщина базы и концентрация дырок в ней).
Т. к. в установившемся режиме количество дырок в базе постоянно, то это
означает, что часть электронов уходит из базы в цепь ЭП, образуя ток базы
iii+ ii<< iпоэтому i ii= diiiназ. коэффициентом передачи тока (иногда - коэфф. усиления по току),
зависит от толщины базы и параметров полупроводникового материала базы
и для большинства Т. близка к 1. Всякое изменение Uизменение iр-п-перехода) и, следовательно, iСопротивление КП велико, поэтому сопротивление нагрузки Rв цепи КП можно выбрать достаточно большим, и тогда Дг'к будет вызывать
значит. изменение напряжения на нём. В результате на Rполучать электрич. сигналы, мощность к-рых будет во много раз превосходить
мощность, затраченную в цепи ЭП. Подобные же физич. процессы происходят
и в Т. р-n-р-типа (рис. 1, б), но в нём электроны
и дырки меняются ролями, а полярности приложенных напряжений должны быть
изменены на обратные. Эмиттер в Т. может выполнять функции коллектора,
а коллектор - эмиттера (в симметричных Т.), для этого достаточно
изменить полярность соответствующих напряжений.

В соответствии с механизмом переноса
неосновных носителей через базу различают бездрейфовые Т., в базе к-рых
ускоряющее электрич. поле отсутствует и заряды переносятся от эмиттера
к коллектору за счёт диффузии, и дрейфовые Т., в к-рых действуют одновременно
два механизма переноса зарядов в базе: их диффузия и дрейф в электрич.
поле. По электрич. характеристикам и областям применения различают Т. маломощные
малошумящие (используются во входных цепях радиоэлектронных усилит. устройств),
импульсные (в импульсных электронных системах), мощные генераторные
(в радиопередающих устройствах), ключевые (в системах автоматич.
регулирования в качестве электронных ключей), фототранзисторы
(в устройствах, преобразующих световые сигналы в электрические с одноврем.
усилением последних) и специальные. Различают также низкочастотные
Т. (в основном для работы в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот),
высокочастотные (до 300 Мгц) и сверхвысокочастотные (св. 300 Мгц).

В качестве полупроводниковых материалов
для изготовления Т. используют преим. германий и кремний. В соответствии
с технологией получения в кристалле зон с различными типами проводимости
(см. Полупроводниковая электроника) Т. делят на сплавные, диффузионные,
конверсионные, сплавно-диффузионные, мезатранзисторы, эпитаксиальные, пла-нарные
(см. Планарная технология) и планарно-эпитаксиальные. По конструктивному
исполнению Т. подразделяются на Т. в герметичных металлостеклянных, металлокерамич.
или пластмассовых корпусах и бескорпусные (рис.2); 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 Т.

С изобретением Т. 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 т. ч. на
Т.) имеет в десятки и сотни раз меньшие габариты и массу, более
высокую надёжность и потребляет значительно меньшую электрич. мощность.
Размеры полупроводникового элемента совр. Т. весьма малы: даже в самых
мощных Т. площадь кристалла не превышает неск. мм². Надёжность
работы Т. (определяется по среднему статистич. времени наработки на один
отказ) характеризуется значениями 10⁵ ч, достигая
в отд. случаях 10⁶ ч. В отличие от электронных ламп Т.
могут работать при низких напряжениях источников питания (до неск. десятых
долей в), потребляя при этом токи в неск. мка. Мощные Т.
работают при напряжениях 10-30 в и токах до неск. десятков а,
отдавая в нагрузку мощность до 100 вт и более.

Верхний предел диапазона частот усиливаемых
Т. сигналов достигает 10 Ггц, что соответствует длине волны электромагнитных
колебаний 3 см. По шумовым характеристикам в области низких частот
Т. успешно конкурируют с малошумящими электрометрическими лампами. В
области частот до 1 Ггц Т. обеспечивают значение коэфф. шума не
св. 1,5 - 3,0 дб. На более высоких частотах коэфф. шума возрастает,
достигая 6- 10 об на частотах 6-10 Ггц.

Т. является осн. элементом совр. микроэлектронных
устройств. Успехи пла-нарной технологии позволили создавать на одном кристалле
полупроводника площадью 30-35 мм² электронные устройства,
насчитывающие до неск. десятков тыс. Т. Такие устройства, получившие назв.
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
Т., и карманные электронные вычислит. устройства (неск. тыс. Т.).
Переход к использованию ИС определил новое направление в конструировании
и произ-ве малогабаритной и надёжной радиоэлектронной аппаратуры, получившее
назв. микроэлектроники. Достоинства Т. в сочетании с достижениями
технологии их произ-ва позволяют создавать ЭВМ, насчитывающие до неск.
сотен тыс. элементов, размещать сложные электронные устройства на борту
самолётов и космич. летат. аппаратов, изготовлять малогабаритную радиоэлектронную
аппаратуру для использования в самых различных областях пром-сти, в медицине,
быту и т. д. Наряду с достоинствами Т. (как и др. полупроводниковые приборы)
имеют ряд недостатков, в первую очередь - огранич. диапазон рабочих
темп-р. Так, германиевые Т. работают при темп-рах не св. 100 °С, кремниевые
200 °С. К недостаткам Т. относятся также существ. изменения их параметров
с изменением рабочей темп-ры 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; 3 и С. М., Физика полупроводниковых
приборов, пер. с англ., М., 1973. Я. А. Федотов.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я