9.5. Транзистор

Транзистор (от англ. transfer – переносить и резистор), электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) электрода, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Изобретен в 1948 г. американскими учеными У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардиным. В России впервые транзисторы были разработаны в 1953 г. под руководством А. В. Красилова.

В настоящее время реализовано значительное разнообразие типов и групп транзисторов, а также интегральных микросхем (микрочипов) на базе транзисторных структур. Обычно выделяют два основных класса транзисторов: полевые транзисторы и биполярные транзисторы. Так как в данном пособии основное внимание уделяется квантовым свойствам твердого тела и соответствующим эффектам в общенаучном, а не в практическом плане, то мы ограничимся рассмотрением транзисторного эффекта на одной из схем биполярного транзистора. Биполярным транзистором называется транзистор с тремя чередующими полупроводниковыми областями электронного (n) или дырочного (p) типов проводимости, в котором протекание рабочего тока обусловлено носителями заряда обоих знаков (электронами и дырками). Различают биполярные транзисторы p – n – p – типа и n – p – n – типа.

На рис. 9.9 представлен p – n – p - переход. Его можно рассма­тривать как р – n - переход, к которому справа добавлена область р - типа (называемая коллектором). На рис. 9.9 к «диодной части» приложено прямое напряжение Б_э, что приводит к большому дырочному току из левой области р - типа (называемой эмиттером) в область n - типа (база). «Секрет» транзистора состоит в том, что база изготавливается настолько тонкой, чтобы большая часть дырок диффундировала через нее в коллектор. К коллектору прикладывается отрицательное по отношению к базе напряжение, чтобы усилить движение к нему носителей положительного заряда (дырок). Характерные толщины базы от 0,05 мкм до десятков мкм. В типичном транзисторе лишь очень малая часть тока эмиттера отводится в электрическую цепь базы (обычно менее 1%). Остальная большая часть тока идет в цепь коллектора через вывод с. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току  :. В типичных транзисторах небольшой входной ток в цепи базы позволяет управлять в сотни раз большим выходным током в цепи коллектора. Следовательно, транзисторы можно использовать для усиления, т.е. для преобразования малых сигналов в большие. Применение транзисторов в усилителях электрических колебаний позволило не только резко снизить их себестоимость, надежность и долговечность, но и повысить коэффициент полезного действия электронных приборов.

Следует заметить, что n – p – n - транзисторы имеют те же характеристики, что и p – n – p - транзисторы, но они отличаются тем, что в случае n – p - n - транзисторов основными носителями зарядов являются электроны, а не дырки.

В полевых транзисторах (часто называемых униполярными) протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака – электронами или дырками.

Учитывая различные свойства p – n – p переходов нетрудно прийти к выводу о широком диапазоне физических, эксплуатационных и других параметров транзисторов. Транзистор является основным элементом современных устройств микроэлектроники. И прогресс в разработке технологии изготовления транзисторных структур зачастую определяет экономическое развитие государства и степень его вхождения в глобальную экономику.