§ 4. Полупроводниковые триоды

4.1. Назначение

Полупроводниковые триоды, так же, как и ламповые триоды, ис­пользуются для усиления, генерирования и преобразования электриче­ских колебаний.

По сравнению с электронными лампами полупроводниковые трио­ды более экономичны, имеют малые габариты и вес, высокую механиче­скую прочность и большой срок службы Однако, они уступают элек­тронным лампам по частотным свойствам и шумовым характеристикам. Кроме того, полупроводниковые триоды имеют значительный разброс параметров и зависимость параметров от окружающей температуры.

4.2. Принцип действия биполярных транзисторов

Полупроводниковые триоды получили название "транзисторы" (от слов "transfer resistor" – преобразователь сопротивлений). Полупроводниковый триод имеет три электрода: эмиттер, базу и коллектор. По аналогии с трехэлектродной электронной лампой эмиттер соответствует катоду, коллектор – аноду, а база – управляющей сетке.

По принципу действия транзисторы подразделяются на инжекционные (биполярные) и полевые (униполярные).

Принцип действия биполярных транзисторов основан на явлении инжекции дырок и электронов в полупроводниках. Это явление заключа­ется в следующем:

При подаче положительного напряжения на "р"-область "р-n"- пе­рехода валентные электроны атомов "n"-области, находящиеся вблизи "р-n''-перехода, под действием положительного потенциала перемещаются в "n"-область, а "дырки" из "р"-области перемещаются в "n"-область. В данном случае говорят, что "n"-область инжектирует электроны в "р"-область, а "р"-область инжектирует "дырки" в "n''-область.

Полупроводниковые приборы, усилительные свойства которых обу­словлены явлениями инжекции неосновных носителей заряда, называются биполярными транзисторами. В работе биполярного транзистора участвуют носители заряда обеих полярностей.

4.3. Устройство и работа биполярных транзисторов

5.3.1. Транзисторы типа "р-n-р"

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала, которые образуют два взаимодействующих перехода. Средний слой имеет иной тип проводимости, чем два прилегающих к нему боко­вых слоя. Полупроводниковые приборы, у которых средний слой имеет электронную проводимость, а прилегающие к нему боковые слои – ды­рочную, называются транзисторами типа "р-n-р".

Полупроводниковые приборы с дырочной проводимостью среднего слоя и электронной про­водимостью боковых слоев называются транзисторами типа "n-p-n".

В обоих случаях средний слой имеет очень малую толщину и является ос­нованием (базой) транзистора, а прилегающие к нему боковые слои служат эмиттером и коллектором.

Устройство биполярного транзистора типа "р-n-р" показано на рис. 5.4.14.

Эмиттер База Коллектор

R_н

+ E_б – + Е_к –

Рис. 5.4.14. Устройство и включение транзистора

типа "p-n-p" по схеме с общей базой

Между эмиттером и базой приложено напряжение питания E_б в прямом (пропускном) направлении, между базой и коллектором – напря­жение Е_к в обратном (запорном) направлении.

Эмиттер инжектирует "дырки" в средний слой "n''-типа. Благодаря малой толщине "n"-слоя, большинство инжектируемых "дырок" (за ис­ключением рекомбинировавшихся с электронами) доходят до границы между базой и коллектором. В данном случае "дырки" являются неоснов­ными носителями заряда. Далее "дырки" свободно проходят через эту границу, поскольку напряжение, приложенное к коллектору, способствует переходу "дырок" из электронного слоя в "дырочный".

Если к эмиттеру приложено переменное управляющее напряжение, то во время воздействия его положительного полупериода число "дырок", инжектируемых в базу, увеличивается, что приводит к возрастанию тока коллектора. Воздействие отрицательного полупериода входного напря­жения уменьшает количество инжектируемых "дырок" и соответственно снижает ток коллектора

Таким образом, изменяя входной сигнал, подаваемый в цепь эмиттера, можно управлять током коллектора.

Рассмотренная схема называется схемой с общей (заземленной) ба­зой. Транзисторы, так же, как и электронные лампы, могут использовать­ся и в других схемах включения.

Например, на рис. 5.4.15 показано включе­ние транзистора по схеме с общим эмиттером. Здесь управляющее на­пряжение включено в цепь базы.

В этой цепи ток эмиттера и ток коллек­тора протекают в противоположных направлениях, поэтому общий ток в цепи базы, равный разности между током эмиттера и током коллек­тора, в десятки раз меньше, чем ток эмиттера. Благодаря этому, незначи­тельные изменения величины тока в цепи управления вызывают сущест­венные изменения тока в цепи коллектора.