3.5. Транзистори

Транзистором називають напівпровідниковий прилад, що має три виводи (електроди) і здатний підсилювати потужність сигналу.

Назва приладу походить як словосполучення від двох англійських слів transfer та resistor, що в перекладі означає перетворювач опору. В першому наближенні транзистор можна розглядати як напівпровідниковий прилад з одним або двома n-p-переходами, опір яких змінюють за допомогою керувальної напруги, що подається на третій електрод.

П ромисловість випускає багато типів різноманітних за конструкцією, технологією виготовлення і принципом дії транзисторів. Найпоширенішими з них є біполярні та польові. В біполярних транзисторах для створення струму використовуються носії заряду обох знаків, вони мають два n-p-переходи, а керування робочим струмом в них здійснюється зміною струму в керувальному електроді. Польові транзистори мають лише один n-p-перехід. Струм у них утворюється завдяки руху носіїв заряду одного знака, тому їх називають ще уніполярними, а керування здійснюється зміною електричного поля (напруги) на керувальному електроді.

Польові транзистори. За конструктивними особливостями їх можна поділити на дві групи: з керувальним n-p-переходом та з ізольованим затвором.

Рис. 3. 17. Схематичне зображення конструкції

n – канального польвого транзистора зі схемою його

вмикання та умовними графічними позначенням

Розглянемо польовий транзистор із керувальним п-р-переходом. Транзистор називають я n-канальним, якщо носіями заряду є електрони, і p-канальним, якщо такими носіями є дірки. На рис. 3.17 показано схематичне зображення конструкції n-канального польового транзистора зі схемою його вмикання та умовними графічними позначеннями. Струм прямує від витоку В до стоку С по каналу з електронною провідністю під дією напруги U_СВ.

Значення струму в каналі залежить від напруги U_СВ і провідності напівпровідникової пластини між витоком та стоком. Якщо U_СВ = const, то струм у каналі I_С залежить лише від ефективної площі поперечного перерізу каналу.

Керувальний електрод — затвор 3 створений з напівпровідника p- типу. Отже, між каналом і керувальним електродом утворюється n-p- перехід. Прикладання до нього запірної напруги Uзв спричинює розширення зони п-р-переходу, збідненої носіями заряду, та зменшення поперечного перерізу частини каналу, в якій є електрони провідності, що зумовлює зростання опору між витоком В і стоком С та зменшення струму I_С. При деякому значенні напруги на затворі U _ЗВ = U _вілс, яке називається напругою відсікання, канал повністю перекривається збідненою носіями зоною і проходження струму припиняється. Оскільки на n-p-перехід подається весь час запірна напруга, в керувальному електроді струму немає, тобто керування струмом І_С здійснюється лише електричним полем, створюваним у п -р-переході.

Принцип дії p-канального польового транзистора аналогічний, різниця полягає лише в знаках прикладених до електродів напруг.

Р ис. 3.18. Схематичне зображення конструкції польового транзистора з ізольованим затвором і його умовним позначенням

Польові транзистори з ізольованим затвором, як показано на рис. 3.18, мають структуру метал — діелектрик — напівпровідник (тому їх також називають МДН-транзисторами). Затвор 3 ізольований від каналу тонким шаром діелектрика (0,05...0,2 мкм). Металевий затвор і напівпровідниковий канал утворюють конденсатор. Зміна напруги, прикладеної до такого конденсатора, приводить до перерозподілу зарядів у каналі, що змінює його провідність.

Залежно від знака напруги, прикладеної до затвора, канал може збіднюватись або збагачуватись носіями заряду (електронами). Якщо напруга на затворі негативна, то електрони провідності виштовхуються з каналу в підкладку, канал збіднюється на кількість носіїв заряду, що зумовлює зменшення струму в каналі. Позитивна напруга на затворі сприяє втягуванню електронів з підкладки в канал. Цей режим дістав назву режиму збагачення. Зі збільшенням позитивної напруги струм у каналі зростає. Таким чином, на відміну від транзистора з керованим n-p-переходом, у транзисторі з ізольованим затвором на останній можна подавати як позитивну, так і негативну напругу. Наявність діелектрика між каналом та затвором забезпечує при позитивних напругах відсутність вхідного струму через затвор.

На рис. 3.19 зображено типові ВАХ польових транзисторів з керованим n-p-переходом (а, б) та з ізольованим затвором (в, г). На вихідних характеристиках можна виділити дві характерні ділянки: ділянку малих напруг U_СВ, де стоковий струм 1_С прямо пропорційний напрузі U_СВ і транзистор можна розглядати як резистор, керований напругою U_ЗВ; ділянку

великих напруг U_СВ, коли стоковий струм I_С майже не залежить від напруги U_СВ і транзистор є джерелом струму, керованим напругою U_ЗВ.

Основними параметрами польових транзисторів є:

статичний коефіцієнт підсилення напруги

; (3.9)

крутість характеристики прямої передачі сигналу

; (3.10)

Рис. 3.19. Типові ВАХ польвих транзисторів з керованим n-p-переходом (а, б) та з

ізольованим затвором (в, г)

вихідна провідність у режимі керованого джерела струму

. (3.11)

ЦІ параметри пов'язані між собою основним рівнянням транзистора

. (3.12)

Робочі частоти польових транзисторів лежать у межах до 1 ГГц. У приладів, побудованих з арсеніду галію з керованим переходом Шоткі, робочі частоти перевищують 40 ГГц.

Діапазон керувальних напруг польових транзисторів досягає кількох одиниць вольтів, їхні вхідні опори лежать у межах1О⁶...1О¹⁵ Ом, а вихідні дорівнюють сотням кілоомів. Відмітною особливістю польових транзисторів є малий рівень власного шуму та висока стійкість до температурних і радіаційних діянь.

Біполярні транзистори. Вони мають два n-p-переходи і можуть бути п -р - п- або р - п - p-структури. Фізичні процеси, що відбуваються в біполярних транзисторах обох типів, аналогічні, а схеми різняться лише знаками прикладених напруг.

Схематично будову площинного біполярного транзистора показано на рис. 3.20. Основним елементом його конструкції є кристал германію або силіцію з трьома областями різної провідності. Цей кристал як основа побудови транзистора називається базою. Крайні зони, що мають провідність, протилежну провідності бази, називаються емітером (звідки основні носії заряду виходять у базу) та колектором. Найпоширенішим способом утворення в тілі бази n-p-переходів є вплавлення і дифузія.

Р ис 3.20. Схематичне зображення будови площинного біполярного транзистора та його умовне графічне позначення

Як випливає з рис. 3.20, емітерний (між емітером та базою) і колекторний (між базою та колектором) переходи ввімкнено назустріч один одному, тобто будь-яка полярність напруги між емітером і колектором не призводить до виникнення колекторного струму. Відстань між n-p-переходами менша за дифузійну довжину пробігу в ній неосновних носіїв заряду і становить кілька мікрометрів, а концентрація атомів домішки в базі незначна, в багато разів менша, ніж емітер. Це є основною умовою роботи транзистора.

Розглянемо принцип дії транзистора на прикладі приладу вплавленого типу з п -р - n-структурою. Такі транзистори ще називають бездрейфовими, оскільки перенесення неосновних носіїв заряду через базу в них здійснюється завдяки дифузії.

Для того щоб через транзистор почав проходити струм, треба відкрити один з n-p-переходів. Для відкривання емітерного переходу між емітером і базою транзистора вмикають джерело U_БЕ у прямому напрямку. Потенціальний бар'єр емітерного переходу знижується, опір його зменшується й утворюється емітерний струм I_Е, зумовлений інжекцією електронів з емітера в базу. Між емітером і колектором прикладено напругу U_КЕ значно більшу за U_БЕ, тобто колекторний перехід закритий, що збільшує його потенціальний бар'єр й опір. Оскільки ширина бази менша за дифузійну довжину пробігу в ній неосновних носіїв (а електрони для бази з дірковим типом провідності є неосновними носіями), переважна більшість електронів, інжектованих з емітера, дійде до колекторного переходу і буде захоплена його прискорювальним полем та втягнута в колектор, утворюючи струм колектора I_К. Незначна частина електронів рекомбінує з основними носіями бази — дірками, створюючи тим самим струм бази I_Б. Цей струм тим менший, чим меншими є ширина бази і концентрація дірок у ній. Для того щоб збільшити або зменшити колекторний струм, треба відповідно збільшити або зменшити кількість електронів, що виходять з емітера, тобто збільшити або зменшити струм бази.

Отже, керування роботою біполярного транзистора, на відміну від польового, відбувається не зміною електричного поля, прикладеного перпендикулярно до напрямку руху носіїв заряду, а зміною напруги, яка збігається з напрямком руху носіїв заряду, тобто зміною електричного струму бази. Тому біполярний транзистор, на відміну від польового, має вхідний струм і відносно невеликий вхідний опір, тобто на керування провідністю біполярного транзистора в колі бази витрачається певна потужність. Великий опір зміщеного в зворотному напрямку колекторного переходу дає змогу вибрати великий опір навантаження Rн, а тому потужність сигналу на виході може бути значно більшою за потужність, витрачену в колі емітерного переходу транзистора. Зміна напруги U_БЕ спричинює зміну струмів I_Б та I_Е, що відповідно змінює струм I_К. Отже, основними рівняннями, які характеризують роботу транзистора при постійних і змінних струмах, є такі:

I_Е = I_Б + I_К; (3.13)

ΔI_Е = ΔI_Б + ΔI_К. (3.14)

Оскільки біполярний транзистор — це напівпровідниковий прилад, керований струмом, основними фізичними параметрами, що характеризують його роботу і властивості, є коефіцієнти передачі струму емітера α і струму бази β при постійній напрузі U_КЕ:

; . (3.15)

Співвідношення між цими коефіцієнтами згідно з (3.9) можна записати так:

. (3.16)

Крім того, до основних параметрів біполярного транзистора належать диференціальні опори емітерного r_Е та колекторного r_К переходів і вхідний опір r_Б транзистора:

; ; . (3.17)

Слід мати на увазі, що на струм в колі емітер — колектор накладається зворотний струм колектора , зумовлений тепловою генерацією електронно-діркових пар поблизу колекторного переходу. Тому рівняння колекторного струму має вигляд

. (3.18)

Однак I_К0 <<I_Е і здебільшого струмом I_К0 нехтують. Із зростанням температури частка цього струму в загальному колекторному струмі значно зростає. Можна вважати, що струм I_К0 подвоюється при зростанні температури на кожні 10 °С. Це призводить до збільшення частки некерованого струму в складі I_К, що спричинює температурну нестабільність у роботі транзистора. Для запобігання цьому явищу необхідно вживати заходів щодо температурної стабілізації та температурної компенсації в транзисторних схемах.

Частотні властивості біполярних транзисторів зумовлюються двома факторами: ємностями n-p-переходів С_Е і С_К, які на високих частотах шунтують опори емітерного r_Е та колекторного r_К переходів (особливо значний вплив на високих частотах має ємність С_К), а також відставанням за фазою змінного колекторного струму від емітерного внаслідок інерційності процесу проходження носіїв заряду через базу. Час прольоту носіїв через базу у звичайних транзисторів дорівнює приблизно 0,1 мкс. На частотах у десятки мегагерців цей час призводить до зсуву фаз між змінними складовими струмів I_Е та I_К, через що зменшується коефіцієнт передачі струму β. Частота, якій відповідає зменшення коефіцієнта β в раза, називається граничною частотою транзистора f_β.

При практичному використанні транзисторів залежно від прикладених до їхніх електродів напруг розрізняють чотири режими роботи:

1. Режим активного підсилення, коли емітернии перехід зміщено в прямому напрямку, а колекторний — у зворотному. Цей режим є основним для побудови більшості схем радіоелектронних пристроїв.

2. Режим насичення, коли U_БЕ > U_КЕ, обидва переходи зміщено в прямому напрямку, струм I_К максимальний і практично не залежить від струму I_Б, транзистор повністю відкритий. Внаслідок малого опору відкритого колекторного переходу при великому струмі I_К в транзисторі розсіюється мала потужність, тому цей режим є основним при побудові перемикальних схем.

3. Режим відсікання струму, при якому обидва переходи закрито і через транзистор проходить лише струм I_Ко . Це теж режим перемикальних схем, який фіксує стан, протилежний станові насичення. Він використовується також при деяких нелінійних перетвореннях сигналів та у двотактних схемах.

4. Режим інверсійний, який характеризується тим, що до емітерного переходу підводиться зворотна напруга, а до колекторного — пряма, тобто емітер і колектор міняються місцями.

На рис. 3.21 показано типові ВАХ біполярного транзистора: вхідну (а), прямої передачі (б) і вихідні (в). Вони відрізняються від наведених у більшості довідників і загальноприйнятих тим, що на вихідних характеристиках за параметр прийнято не струм бази I_Б, а напругу база — емітер U_БЕ. Це дає змогу порівнювати їх з характеристиками польового транзистора і вести розрахунки в єдиній системі узагальнених Y-параметрів.

Як і в польових транзисторах, для визначення підсилювальних властивостей біполярного транзистора корисно користуватися крутістю характеристики прямої передачі

Рис. 3.21. Типові ВАХ біполярного транзистора: вхідна (а), прямої передачі (б) і вихідні (в)

сигналу

. (3.19)

Для біполярного транзистора можна записати основне рівняння, що об'єднує його фізичні параметри:

. (3.20)

Робочі частоти біполярних транзисторів лежать у межах десятків і сотень мегагерців. Діапазон керувальних напруг у малопотужних транзисторах становить десятки мілівольтів, а у транзисторів середньої потужності — сотні мілівольтів. Вони мають невеликий вхідний опір при вихідному опорі порядку десятків — сотень кілоомів.

Позначення польових і біполярних транзисторів у довідниках, на схемах і в технічних документах здійснюється за тією самою системою, що й напівпровідникових діодів. Тільки в другому елементі кодового запису після позначення виду напівпровідникового матеріалу для польових транзисторів застосовується літера П, а для біполярних — Т.