Перегляд вихідного коду сторінки Біполярний транзистор

{{float_begin|side=right}}
|- align = "center"
| [[Файл:BJT symbol PNP.svg|60px]] || PNP
|- align = "center"
| [[Файл:BJT symbol NPN.svg|60px]] || NPN
{{float_end|caption=Схематичні позначення <br /> транзисторів типів PNP та NPN}}

'''Біполярний транзистор'''&nbsp;— [[напівпровідник]]овий прилад, елемент [[електронна схема|електронних схем]]. Має три [[електрод]]и&nbsp;— ''емітер'', ''базу'' і ''колектор'',&nbsp;— один з яких служить для керування [[електричний струм|струмом]] між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем носіїв заряду, що мають як позитивний, так і негативний [[електричний заряд]]. В залежності від типу носіїв заряду, які використовуються в транзисторі, біполярні транзистори поділяються на транзистори типів NPN та PNP. В транзисторі типу NPN емітер і колектор легуються [[донор електрона|донорами]], а база&nbsp;— [[акцептор електрона|акцепторами]]. В транзисторі типу PNP&nbsp;— навпаки.

Біполярні транзистори використовуються в [[підсилювач]]ах, [[Електронний генератор|генераторах]], перетворювачах сигналу, логічних схемах.

== Історія винаходу ==
Біполярний транзистор винайшли в 1947 році [[Джон Бардін]] і [[Волтер Браттейн]] під керівництвом [[Шоклі]] із [[Bell Labs]], за що отримали [[Нобелівська премія з фізики|Нобелівську премію з фізики]]. Вперше його продемонстрували [[16 грудня]], а [[23 грудня]] відбулось офіційне представлення винаходу і саме ця дата вважається днем відкриття транзистора<ref>[http://www.elteg.ru/terms/20/29/ Електротехнічні товари: Словник термінів]{{Недоступне посилання|date=червень 2019 |bot=InternetArchiveBot }}</ref>.

== Будова ==
[[Файл:Npn BJT cross section.PNG|міні|Поперечний розріз транзистора]]
На малюнку праворуч схематично показана будова біполярного транзистора типу NPN. Колектором служить напівпровідник n-типу, легований [[Донор (домішка)|донорами]] до невисокої концентрації 10<sup>13</sup>−10<sup>15</sup> см<sup>−3</sup>. Перед створенням бази напівпровідник покривають [[фоторезист]]ом і за допомогою [[фотолітографія|літографії]] звільняють вікно для легування [[акцептор електрона|акцепторами]]. Атоми акцептора дифундують в глибину напівпровідника, створюючи область із доволі високою концентрацією&nbsp;— 10<sup>17</sup>−10<sup>18</sup> см<sup>−3</sup>. На третьому етапі знову створюється вікно для легування донорами й утворюють емітер із ще вищою концентрацією домішок, необхідною для того, щоб спочатку компенсувати акцептори, а потім створити напівпровідник n-типу. Відношення домішок у емітері до бази повинно бути якомога більшим для забезпечення гарних характеристик транзистора.

Ще кращих характеристик можна досягти, якщо перехід між базою й емітером зробити [[гетероперехід|гетеропереходом]], у якому емітер має набагато більшу ширину [[заборонена зона|забороненої зони]], хоча це і збільшує собівартість транзистора. В такому випадку на поверхню бази через вікно напилюється інша речовина.

== Принцип дії ==
Дія біполярного транзистора базується на використанні двох [[p-n-перехід|p-n-переходів]] між базою та емітером і базою та колектором. В області p-n-переходів виникають шари [[Просторовий заряд|просторового заряду]], між якими лежить тонка нейтральна база. Якщо між базою й емітером створити напругу в прямому напрямку, то носії заряду інжектуються в базу й дифундують до колектора. Оскільки вони є неосновними носіями в базі, то легко проникають через p-n-перехід між базою й колектором. База виготовляється достатньо тонкою, щоб носії заряду не встигли прорекомбінувати, створивши значний струм бази. Якщо між базою й емітером прикласти запірну напругу, то струм через ділянку колектор-емітер не протікатиме.

Характеристики біполярних транзисторів поділяються на вхідні, перехідні, вихідні і характеристики керування.

== Класифікація та маркування ==

=== Класифікація ===
Транзистори класифікуються<ref>''Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А.'' Полупроводниковые приемно-усилительные устройства.&nbsp;— Київ&nbsp;: Наукова думка, 1988. С. 183—191.</ref> за вихідним матеріалом, розсіюваною потужністю, діапазоном робочих частот, принципом дії. В залежності від вихідного матеріалу їх поділяють на дві групи: [[германій|германієві]] та [[кремній|кремнієві]]. За діапазоном робочих частот їх ділять на транзистори низьких, середніх та високих частот, за потужністю&nbsp;— на класи транзисторів малої, середньої та великої потужності. Транзистори малої потужності ділять на шість груп: підсилювачі низьких і високих частот, малошумні підсилювачі, перемикачі насичені, ненасичені та малого струму; транзистори великої потужності&nbsp;— на три групи: підсилювачі, [[Електронний генератор|генератори]], перемикачі. За технологічними ознаками розрізняють сплавні, сплавно-дифузійні, дифузійно-сплавні, конверсійні, епітаксіальні, планарні, епітаксіально-планарні транзистори.

=== Маркування ===
Позначення типу транзистора встановлено галузевим стандартом ОСТ 11 336.919-81. ''Перший елемент'' позначає вихідний матеріал із якого виготовлений транзистор: германій чи його [[Хімічна сполука|сполуки]]&nbsp;— Г, кремній або його сполуки&nbsp;— К, сполуки [[Галій|галію]]&nbsp;— А. ''Другий елемент''&nbsp;— підклас напівпровідникового приладу. Для біполярних транзисторів другим елементом є літера Т. ''Третій елемент''&nbsp;— призначення приладу (таблиця). ''Четвертий елемент''&nbsp;— число від 01 до 99, що позначає порядковий номер розробки типу приладу. Допускається тризначний номер&nbsp;— від 101 до 999, якщо номер розробки перевищує 99. ''П'ятий елемент позначення''&nbsp;— літера [[Російська абетка|російського алфавіту]], що визначає класифікацію за параметрами приладів, виготовлених за єдиними технологіями.

{| align="center" class="standard"
|+ Третій елемент позначення транзисторів
! |Підклас транзисторів
! |Позначення
|-----
| Транзистори малої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором не більше 0,3 [[Ват|Вт]]):

* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 [[Герц|МГц]]

* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не більше 30 МГц

* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц
|


1

2

3
|-----
| Транзистори середньої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором понад 0,3 Вт, але не більше 1,5 Вт):

* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц

* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не перевищує 30 МГц

* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц
|


4

5

6
|-----
| Транзистори великої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором понад 1,5 Вт):

* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц

* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не перевищує 30 МГц

* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц
|


7

8

9
|+
|}

== Режими роботи транзистора ==

=== Загальні відомості ===
В залежності від того, в яких станах знаходяться переходи транзистора, розрізняють режими його роботи<ref>{{Cite web |url=http://www.dvo.sut.ru/libr/eqp/i001eqp1/3-1.htm |title=Конспект курса «Электронные твердотельные приборы» |accessdate=27 листопада 2008 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20081217054651/http://dvo.sut.ru/libr/eqp/i001eqp1/3-1.htm |archivedate=17 грудня 2008 |deadurl=yes }}</ref>. Оскільки в транзисторі є 2 переходи (емітерний та колекторний), і кожен із них може знаходитись в двох станах (відкритому та закритому), розрізняють чотири режими роботи транзистора. Основним є активний режим, при якому емітерний перехід знаходиться у відкритому стані, а колекторний&nbsp;— в закритому. Транзистори, які працюють в активному режимі, використовуються в [[підсилювач|схемах підсилення]]. Окрім активного виділяють інверсний режим, при якому емітерний перехід закритий, а колекторний&nbsp;— відкритий, режим насичення, при якому обидва переходи відкриті, та режим відсічки, при якому переходи закриті.

Першою практичною математичною моделлю біполярного транзистора була модель [[Джуел Джеймс Еберс|Еберса]]—Молла.

=== Активний режим ===
Активному режиму роботи транзистора відповідає відкритий стан емітерного переходу і закритий колекторний перехід. В цьому режимі переходи транзистора мають різну ширину: закритий колекторний перехід значно ширший ніж відкритий емітерний перехід. Окрім наскрізного потоку електронів, в структурі в активному режимі протікає інший потік, а саме, зустрічний потік дірок, що рухаються із бази в емітер. Два зустрічних потоки (дірок та електронів) відображають ефект рекомбінації в базі. Електронний потік створюється електронами, які рухаються із емітера, однак не доходять до колекторного переходу (як електрони, що створюють наскрізний потік), а рекомбінують із дірками в базі. Дірковий потік створюється дірками, що надходять із зовнішнього кола в базу для компенсації втрати дірок внаслідок рекомбінації з електронами. Вказані потоки створюють в зовнішніх колах емітера і бази додаткові складові струмів. На рисунку також показані потоки неосновних носіїв заряду, що створюють власний тепловий струм колекторного переходу (потік електронів, що рухаються із бази в колектор, та потік дірок з колектора в базу).

Наскрізний потік є єдиним корисним потоком носіїв в транзисторі, оскільки визначає можливість підсилення електричних сигналів. Всі інші потоки не беруть участі в підсиленні сигналу, і тому є побічними. Для того щоб транзистор мав високий [[коефіцієнт підсилення]], необхідно щоб побічні потоки були якомога слабші в порівнянні з корисним наскрізним потоком.

=== Інверсний режим ===
Інверсний (інверсний активний) режим роботи біполярного транзистора аналогічний активному режиму з відмінністю лише в тому, що в цьому режимі у відкритому стані знаходиться колекторний перехід, а в закритому&nbsp;— емітерний.

=== Режим насичення ===
В режимі насичення обидва переходи транзистора знаходяться у відкритому стані. В цьому режимі електрони і з емітера, і з колектора рухаються в базу, внаслідок чого в структурі протікають два зустрічних наскрізних потоки електронів (нормальний та інверсний).

Від співвідношення цих потоків залежить напрям струмів, що протікають в колах емітера та колектора. Внаслідок подвійного насичення бази, в ній накопичуються надлишкові електрони, внаслідок чого посилюється їх рекомбінація з дірками і рекомбінований струм бази є набагато вищим, ніж в активному чи інверсному режимах.

У зв'язку із насиченням бази транзистора і його переходів надлишковими носіями зарядів, опір останніх стає дуже маленьким. Тому електричні кола, що містять транзистор в режимі насичення можна вважати короткозамкненими.

=== Режим відсічки ===
В режимі відсічки обидва переходи транзистора знаходяться у закритому стані. Наскрізні потоки електронів в цьому режимі відсутні. Через переходи транзистора протікають потоки неосновних носіїв заряду, що створюють малі некеровані теплові струми переходів. База і переходи транзистора в режимі відсічки збіднені рухомими носіями заряду, внаслідок чого їх опір є дуже високим. Тому вважають, що транзистор в режимі відсічки розриває електричне коло. Режим насичення та відсічки використовуються при роботі транзистора в імпульсних схемах.

== Схеми включення ==
Транзистор як активний елемент може бути представлений як чотириполюсник з двома вхідними та двома вихідними полюсами. Зважаючи, що у транзистора три виводи, один з них має бути спільним для вхідного і вихідного сигналу. Під вхідними (вихідними) полюсами розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) напруга. Схеми включення отримали назви: [[Підсилювальний каскад зі спільним емітером|схема зі спільним емітером]] (СЕ), [[Підсилювальний каскад зі спільною базою|схема зі спільною базою]] (СБ) і [[Підсилювальний каскад зі спільним колектором|схема зі спільним колектором]] (СК).

Схеми підключення транзистора характеризується наступними основними показниками:
* коефіцієнт підсилення по струму n=dI<sub>вих</sub>/dI<sub>вх</sub>
* коефіцієнт підсилення по напрузі n=dU<sub>вих</sub>/dU<sub>вх</sub>
* вхідний опір R<sub>вх</sub>=dU<sub>вх</sub>/dI<sub>вх</sub>
* вихідний опір R<sub>вх</sub>=dU<sub>вих</sub>/dI<sub>вих</sub>

=== Схема зі спільним емітером ===
[[Файл:NPN common emitter.svg|thumb|150px|Підсилювальний каскад за схемою підключення транзистора зі спільним емітером на основі npn-транзистора]]
[[Підсилювальний каскад зі спільним емітером|Схема зі спільним емітером]] інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини:
: <math>I_\text{вих}=I_\text{к}</math>
: <math>I_\text{вх}=I_\text{б}</math>
: <math>U_\text{вх}=U_\text{бе}</math>
: <math>U_\text{вих}=U_\text{ке}</math>

* [[Коефіцієнт підсилення по струму]]: I<sub>вих</sub>/I<sub>вх</sub>=I<sub>к</sub>/I<sub>б</sub>=I<sub>к</sub>/(I<sub>е</sub>-I<sub>к</sub>) = α/(1-α) = β [β>>1]
* Вхідний опір: R<sub>вх</sub>=U<sub>вх</sub>/I<sub>вх</sub>=U<sub>бе</sub>/I<sub>б</sub>

''Переваги:''
* Великий [[коефіцієнт підсилення по струму]]
* Великий [[коефіцієнт підсилення по напрузі]]
* Найбільше підсилення потужності

''Недоліки''
* Гірші температурні та частотні властивості в порівнянні з іншими схемами.

=== Схема зі спільною базою ===
[[Файл:NPN common base.svg|thumb|150px|Підсилювальний каскад за схемою зі спільною базою на основі npn-транзистора]]
[[Підсилювальний каскад зі спільною базою|Схема зі спільною базою]] не інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини:
* Коефіцієнт підсилення по струму: I<sub>вих</sub>/I<sub>вх</sub>=I<sub>к</sub>/I<sub>е</sub>=α [α<1]
* Вхідний опір R<sub>вх</sub>=U<sub>вх</sub>/I<sub>вх</sub>=U<sub>бе</sub>/I<sub>е</sub>.
Вхідний опір для схеми зі спільною базою малий і не перевищує 100 Ом для малопотужних транзисторів, оскільки вхідний ланцюг транзистора при цьому є відкритим емітерним переходом транзистора.

''Переваги:''
* Гарні температурні та частотні властивості
* Висока допустима напруга

''Недоліки''
* Підсилення по струму близьке до 1, оскільки α < 1
* Малий вхідний опір
* Два різні джерела напруги для живлення

=== Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач) ===
[[Файл:NPN emitter follower.svg|thumb|150px|Емітерний повторювач на основі npn-транзистора]]
[[Підсилювальний каскад зі спільним колектором|Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач)]] не інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини:
''Вихідні дані''
: <math>I_\text{вих}=I_\text{е}</math>
: <math>I_\text{вх}=I_\text{б}</math>
: <math>U_\text{вх}=U_\text{бк}</math>
: <math>U_\text{вих}=U_\text{ке}</math>

* Коефіцієнт підсилення по струму: I<sub>вих</sub>/I<sub>вх</sub>=I<sub>е</sub>/I<sub>б</sub>=I<sub>е</sub>/(I<sub>е</sub>-I<sub>к</sub>) = 1/(1-α) = β [β>>1]
* Вхідний опір: R<sub>вх</sub>=U<sub>вх</sub>/I<sub>вх</sub>=(U<sub>бе</sub>+U<sub>ке</sub>)/I<sub>б</sub>

''Переваги''
* Великий вхідний опір
* Малий вихідний опір

''Недоліки''
* Коефіцієнт підсилення по напрузі менше 1

== Власні шуми в транзисторах ==
Джерелами шумів в транзисторі є:
* електронно-діркові переходи;
* активні складові областей бази, емітера і колектора;
* випадкові перерозподіли струму між колектором і базою;
* неоднорідності напівпровідникового матеріалу.
Відповідно до теорії шумових властивостей транзисторів, основну роль в транзисторах грають: флікер-шум, дробовий, теплові шуми, шуми поділу, тощо. Розглянемо ці шуми більш детальніше, припускаючи, що транзистор працює в режимі малого сигналу.

У транзисторах флікер-шум спостерігається на низьких частотах (менше 1 кГц). Спектральна щільність потужності цього шуму пропорційна <math>1/f</math>, де <math>f</math>&nbsp;— частота.
Джерелом низькочастотних шумів в транзисторі є носії електричного заряду в середині р-n-переходу і на його поверхні під дією температури, прикладеного електричного поля, а також в результаті зіткнення нейтральних атомів напівпровідника або домішок з керованим потоком основних носіїв заряду. Кількість носіїв, збуджених за даний проміжок часу, є випадковою, а створений ними струм&nbsp;— флуктуаційним.
Коефіцієнт шуму може бути визначений за формулою:

<math>K_\text{ш}=\frac{U_\text{ш}^2}{U^2}</math>

де <math>U</math>&nbsp;— напруга джерела сигналу, підключеного до входу транзистора;
Так як площа колекторного переходу зазвичай набагато більше площі емітерного переходу, низькочастотний шум в основному проявляється в колекторному переході
Зазвичай флікер-шум виникає в результаті погано оброблених поверхонь кристала і в місцях омічних контактів виводів і кристала. При шліфуванні кристал має менший флікер-шум ніж при травленні його поверхні.
Для зниження цього шуму необхідно зменшити щільність струму на одиницю поверхні, використовувати планарні транзистори і транзистори з високим ступенем технологічної обробки поверхні. Крім того, в схемах підсилювачів доцільно використовувати транзистори р-n-р типу, що мають менший рівень низькочастотного шуму, ніж транзистори n-р-n-типу.
У ряді випадків спеціальні вимірювання флікер-шуму на частоті <math>f</math> = 1 кГц і нижче дозволяють прогнозувати надійність транзисторів і визначати ряд дефектів в них: погані контакти, тріщини, тощо.
Тепловий шум транзистора викликаний хаотичним рухом носіїв в середині напівпровідника. Цей шум, на відміну від надлишкового шуму, існує навіть за відсутності електричного струму.
На середніх і високих частотах основними джерелами шуму в транзисторі є дробові шуми в емітерному та колекторному переходах, тепловий шум опору бази і шуми струмо-розподілу, пов'язані з випадковим характером розподілу емітерного струму між колектором і базою.

Коефіцієнт шуму залежить також від опору джерела сигналу, при цьому існує оптимальний опір і оптимальне значення струму емітера.

Умови, за яких коефіцієнт шуму має мінімальне значення, можуть не збігатися з умовами отримання максимального коефіцієнта посилення. Для зниження дробових шумів рекомендується використовувати транзистори з малим зворотним струмом, а також працювати при порівняно невисоких температурах і невеликих струмах емітера.

Випадковий характер процесів рекомбінації носіїв в області бази транзистора є причиною появи шуму пов'язаного з перерозподілом струму емітера.
Існують й інші типи шумів в транзисторах&nbsp;— це шуми опромінення, що виникають при опроміненні транзистора швидкими частинками, шуми лавинного пробою, що виникають при високому, близькому до пробивного рівню зворотної напруги на переході, вибухові шуми і тощо. Однак в транзисторі основними шумами є надлишкові&nbsp;— тепловий, дробовий і шуми поділу.

== Див. також ==
* [[Транзистор]]
* [[КТ315]]
* [[Транзистор метал-діелектрик-напівпровідник]]
* [[Польовий транзистор]]

== Примітки ==
{{reflist}}

== Джерела ==
* Напівпровідникові прилади&nbsp;: підручник / Л.&nbsp;Д.&nbsp;Васильєва, Б.&nbsp;І.&nbsp;Медведенко, Ю.&nbsp;І.&nbsp;Якименко .&nbsp;— К.&nbsp;: Кондор, 2008.&nbsp;— 556 с.&nbsp;— ISBN 966-622-103-9.
* Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С.&nbsp;А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства.&nbsp;— К.&nbsp;: Наукова думка, 1988.&nbsp;— С. 183—191.{{ref-ru}}
* {{МГЕ}}

{{17px}}
{{Electronics-stub}}
{{Physics-stub}}

{{Електронні компоненти}}
[[Категорія:Транзистори]]