Вопрос 92. Устройство и принцип действия транзистора. Обозначение транзисторов на схемах.

Усилители биологических сигналов на транзисторах структурно состоят из соединенных в цепочки элементарных звеньев, которые получили название усилительные каскады. Основой каждого каскада является усилительный прибор - транзистор.

В основе работы транзистора лежит свойство р-n перехода. Эта структура образуется на границе раздела полупроводников с различным типом проводимости.

К полупроводникам относятся материалы с удельным сопротивлением  = 10^-5 - 10^-8 Ом /м.

Структура р-n перехода приведена ниже на рисунке:

При контакте двух полупроводников на границе их раздела образуется зона объемного заряда за счет диффузии основных носителей в зоны с противоположной проводимостью. В области объемного заряда образуется поле напряженностью Е р-n, и при этом протекают два тока:

- ток диффузии (за счет градиента концентраций),

- ток дрейфа основных носителей заряда.

В условиях равновесного состояния перехода суммарная составляющая токов равна нулю.

При приложении внешнего поля Е_ист, оно либо суммируется с полем объемного заряда, или вычитается из него в зависимости от полярности. Такие включения называются соответственно прямым и обратным.

При обратном включении Е_общ = Е_ист + Е р-n, зона объемного заряда расширяется и ток через прибор равен нулю.

При прямом включении Е_общ = Е_ист - Е р-n и через р-п переход течет ток.

Структура, состоящая из двух р-n переходов, называется тран­зистором. Транзистор бывает р-n-р и n-р-n структуры. Рассмотрим принцип действия транзистора типа р-п-р.

p-n переход между эмиттером и базой называется эмитгерным, р-n переход между базой и коллектором - коллекторным. При данном подключении источников тока эмиттерный переход является открытым, т.е. сопротивление транзистора (входное сопротивление) мало; коллекторный переход является закрытым, поэтому выходное сопротивление транзистора велико. Так как эмиттерный переход является открытым, основные носители тока (дырки) под действием приложенного входного напряжения Е_Э устремятся в базу, создавая ток эмиттера I_Э, где часть из них рекомбинирует с электронами (основными носителями тока в n-полупроводнике) и образуют ток базы I_Б. Однако, вследствие малой толщины базы транзистора, величина этого тока мала и большая часть дырок устремится в коллектор, который закрыт для электронов и открыт для дырок. При этом будет создаваться ток коллектора I_К.

По закону сохранения электрического заряда: I_Э = I_Б + I_К. Так как I_Б мал, I_Э = I_К.

Напряжение на входе транзистора равно падению напряжения на входном сопротивлении, и поэтому может быть вычислено по формуле: U_вх = I_Э  R_вх.

Напряжение на выходе транзистора равно падению напряжения на выходном сопротивлении транзистора, и поэтому может быть вычислено по формуле: U_вых = I_К  R_вых.

Коэффициент усиления транзистора по напряжению можно вычислить по формуле:

К_ус = U_вых / U_вх = (I_К  R_вых) / (I_Э  R_вх).

Из этой формулы видно, что, так как токи эмиттера и коллектора приблизительно равны, а выходное сопротивление гораздо больше входного сопротивления транзистора, о чем говорилось выше, коэффициент усиления транзистора по напряжению гораздо больше единицы, т.е. малые изменения напряжения на входе транзистора приводят к гораздо большим изменениям выходного напряжения, но при этом, так как ток коллектора повторяет ток эмиттера, форма выходного напряжения соответствует форме входного напряжения.

Транзисторы на схемах изображаются следующим образом:

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.384; лекции.