11. Транзисторы

11.1. Устройство и принцип действия полупроводникового триода (транзистора)

Конструктивно транзистор представляет собой полупроводнико­вый монокристалл, в котором последовательно выращены слои раз­личного типа проводимости.

Н

Р и с. 11.1. Плоскостной транзистор

а рис. 11.1 показан транзистор типа р-п-р (чередование слоев различной проводимости может быть и про­тивоположным, например п-р-п). Как видно из рисунка, транзистор имеет два перехода — переход 1 (переход Э – Б) и переход 2 (пере­ход Б – К).

Левую p-область называют эмиттером (Э),

правую – кол­лектором (К),

расположенную между ними n-область называют базой прибора (Б) (происхождение названий областей будет ясно из даль­нейшего).

Если эмиттерная и коллекторная области образованы, на­пример, вплавлением индия в n-германий, то проводимости эмиттера σ_э и коллектора σ_к будут много больше проводимости области базы σ_б (примерно на два порядка).

На рис. 11.2 показаны зонные схемы транзистора до установления равновесия в системе Э – Б – К.

Р и с. 11.2. Зонная схема плоскостного транзистора до установления равновесия	Р и с. 11.3. Транзистор р-п-р в равновесии

На рис. 11.3 показано равновесное состояние транзистора.

В состоянии равновесия химический потен­циал един во всей системе, в связи с чем в ней возникают два барьера, препятствующие эмиссии дырок в базовую область из эмиттера и коллектора.

Рис. 11.4. Включение p-n-p-транзистора

Схема включения транзистора показана на рис. 11.4.

Обратим внимание на то, что переход 1 (переход Э – Б или просто эмиттерный) включается в прямом направлении, переход 2 (коллектор­ный) – в обратном. При подаче на эмиттерный переход напряжения в прямом направлении (см. полярность батареи) потенциальный барьер на границе перехода Э – Б понижается ( ) и Э начи­нает инжектировать в область Б дырки.

В дальнейшем движение ды­рок в области базы может происходить под действием двух причин:

1) диффузионное движение их в сторону уменьшения концентрации, т. е. к коллекторному переходу;

2) движение дырок к коллектору мо­жет происходить в специально созданном диффузионной технологи­ей внутреннем электрическом поле базы.

В первом случае транзисто­ры называют диффузионными, во втором – дрейфовыми.

На пути к коллектору часть дырок теряется вследствие их реком­бинации в объеме и на поверхности (рис. 11.5), но так как ширина об­ласти базы обычно делается довольно малой ( , где – диф­фузионная длина дырок в области базы), большая часть инжектиро­ванных дырок достигает коллектора, подхватывается его электриче­ским полем и уходит на нагрузку .

Р и с. 11.5. Рекомбинация дырок в базе и на поверх­ности

Так как переход Б – К включен в обратном (запорном) направлении, его сопротивление очень вели­ко – порядка МОм, что позволяет без особого влияния на работу транзистора включить в цепь К – Б значительное сопротивление на­грузки, скажем, .

Выделяемое на нагрузке напряжение пере­дается во внешнюю цепь или в последующие каскады усиления.

Итак, в основе работы транзисторов лежат три процесса:

1) инжекция дырок в область базы из эмиттера;

2) перенос дырок через об­ласть базы к коллекторному переходу и

3) уход дырок через коллек­торный переход во внешнюю цепь [11, 12].

Объясним усиление транзистора по на­пряжению (мощности). Ток эмиттера даже при сравнительно малых прямых на­пряжениях может быть значительным (см. рис. 10.10, прямая ветвь ВАХ p-n-пере­хода). В то же время сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода мало, поэтому величина сигнала, поступаю­щего на вход транзистора, может быть весьма малой: .

В хороших транзисторах большая часть дырок достигает коллекторного перехода ( ) и создает на нагрузочном сопротивлении довольно большой сигнал. Можно записать

,

откуда следует, что в транзисторе осуществляется усиление по напря­жению. Выходная мощность также много больше входной:

.

Дополнительная мощность, выделяемая в цепи коллектора, чер­пается из коллекторной батареи , т. е. транзистор преобразует энер­гию источника постоянного напряжения в энергию переменного тока.