Биполярные транзисторы
Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p – n-переходами, имеющий три или более электрода, который служит для усиления и переключения электрических сигналов. Транзисторы используются в качестве активных элементов во многих схемах радиоэлектронной аппаратуры. По принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые.
В работе биполярных транзисторов используются носители обеих полярностей (дырки и электроны).
По сравнению с электронными лампами транзисторы имеют следующие преимущества:
• отсутствует цепь накала, и транзисторы имеют мгновенную готовность к работе;
• незначительная потребляемая мощность;
• более высокий КПД;
• отсутствие помех типа «микрофонный эффект» при действии ударов и вибрации;
• большой срок службы;
• небольшие габариты и масса.
Для изготовления транзисторов используются в основном германий (Ge) и кремний (Si), которые доводят до высокой степени чистоты.
Биполярный транзистор – это управляемый полупроводниковый прибор с двумя р – п-переходами и тремя выводами, работа которого основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Плоскостной биполярный транзистор представляет собой пластинку Gе или Si, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводимостью: п – р – п или р – п – р. В первом случае средняя область имеет дырочную проводимость и две крайние – электронную. Во втором случае наоборот. Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, а другая – коллектором (рисунок 34).
Э
Э
Э
Э
Б
Б
Б
Б
К
К
К
К
n
n
n
p
p
p
Рисунок 34 – Структура транзистора n – p – n-типа и p – n – p-типа
Рисунок
35
Таким
образом, в транзисторе имеются два
р
– п-перехода:
эмиттерный – между эмиттером и базой,
коллекторный – между базой и коллектором.
Функция эмиттерного перехода –
инжектирование носителей заряда в базу
(для транзистора п
– р – п-типа
– это электроны, для транзистора р
– п – р-типа
– это дырки); функция коллекторного
перехода – сбор носителей заряда,
прошедших через базу.
Чтобы носители заряда инжектировались эмиттером и, проходя через базу, полнее собирались коллектором, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода. Область базы делают очень тонкой, не более единиц микрометров (рисунок 35). Кроме того, концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере.
Физические принципы работы транзисторов
Рассмотрим работу транзистора р – n – р-типа.
В цепь между базой и коллектором транзистора включено в проводящем
(прямом) направлении напряжение источника Е (1…2 В). Вследствие этого
потенциальный барьер эмиттерного перехода снизится на ЕЭ: UЭ-Б = φ – ЕЭ. Действие барьера ослабляется, и «дырки», обладающие большими скоростями, могут переходить через p – n-переход в базовую область, создавая ток эмиттерного перехода iЭ. Этот процесс называется инжекцией дырок (рисунок 36).
Эмиттер
База
Коллектор
p-n
p-n
Экстракция
Диффузия
Инжекция
Рекомбинация
Диффузия
дырок
Дырки
iЭ
EЭ
iБ
EК
Э
К
Б
iК
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
а
б
φ
UЭ-Б=φ–EЭ
UК-Б
= φ+EК
К
х
Рисунок 36 – Физические процессы в p – n – р-транзисторе:
а – структура транзистора; б – распределение потенциалов
Одновременно происходит переход электронов из базы в эмиттер. Однако при выборе значительно меньшей концентрации носителей тока в базе этот встречный поток электронов оказывается намного меньше потока дырок и обратный ток эмиттера iобр мал.
Инжектированные в базу дырки в результате диффузии направляются к
коллектору за счет перепада плотности дырок по длине базы. Диффузия
происходит в течение конечного времени при отсутствии электрического поля.
За время диффузии часть дырок рекомбинирует с электронами, приходящими в базу через базовый вывод от источника ЕЭ, и образует базовый ток iБ. В цепь между базой и коллектором включено напряжение источника ЕК, смещающее коллекторный переход в запирающем (непроводящем) направлении и увеличивающее потенциальный барьер коллекторного перехода. Напряжение источника ЕК выбирают приблизительно 5…20 В.
Дырки, попавшие в базу из эмиттера и равномерно распределившиеся по объему базы, подхватываются полем коллекторного перехода, которое является для них ускоряющим, и втягиваются в коллектор. Этот процесс называется экстракцией дырок (см. рисунок 36). Эти дырки образуют коллекторный ток iК. В области контакта коллектора с внешней цепью дырки рекомбинируют с электронами, приходящими из внешней цепи от источника питания ЕК. Цепь тока оказывается замкнутой.
Из рассмотрения процессов видно, что
iЭ = iБ + iК.
Для увеличения коллекторного тока iК базовый ток iБ стремятся сделать как можно меньше. В современных транзисторах удается получить iБ ≈ (0,05…0,1)iЭ путем снижения ширины области базы. Тогда iК ≈ (0,95…0,9)iЭ.
Отношение коллекторного тока к эмиттерному называется коэффициентом передачи тока транзистора: α = iК / iЭ = 0,95...0,99.
Таким образом, токи в транзисторе связаны следующими соотношениями:
IК = α iЭ; IБ = (1 − α)iЭ.
Если в цепь между базой и коллектором ввести переменное напряжение
источника ЕГ небольшой величины (ЕГ < ЕЭ), то количество инжектированных дырок, т. е. ток iЭ, будет меняться вследствие изменения высоты потенциального барьера. Если в цепь между коллектором и источником ЕК ввести еще сопротивление Rн, то изменение эмиттерного тока iЭ приведет к изменению коллекторного тока iК приблизительно в тех же пределах.
Так как сопротивление коллекторной цепи велико (коллекторный переход смещен в обратном направлении), то протекание по этой цепи изменяющегося и значительного тока iК позволяет получить в усилителе на транзисторе усиление по напряжению и мощности.
Работа транзистора n – p – n-типа происходит аналогично работе транзистора p – n – p-типа. В этом случае носителями тока являются электроны и полярность внешних источников напряжений меняется на противоположную.