4.5. Однопереходный транзистор

Однопереходный транзистор (ОПТ, двухбазовый диод) представляет собой полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, ВАХ которого имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления [30], [38].

Конструктивно однопереходный транзистор выполнен в виде пластины полупроводникового материала, на концах которой расположены омические (невыпрямляющие) контакты Б₁ и Б₂, примыкающие к слаболегированным базовым областям (базам) одноименного названия, а на боковой стороне – один p-n-переход (рис. 4.15, а). Контакт эмиттера Э установлен на эмиттерную область р-типа. Управление током транзистора производится подачей напряжения U_вх = U_эб1 = U_э на вход ОПТ между контактами Э и Б₁.

Обычно длина l₁ базы Б₁ значительно меньше, чем длина l₂ базы Б₂, т.е. l₂  l₁. Формально можно считать, что в объеме баз транзистора между контактами Б₁ и Б₂ расположены два резистора R₁ и R₂, причем R₂ >> R₁ (рис. 4.15, а).

а) б) в)

Рис. 4.15. Структура (а), УГО (б) и ВАХ (в) однопереходного транзистора

Также, как и в случаях с биполярными и полевыми транзисторами, для оптимальной работы ОПТ в различных режимах между контактами прибора Э, Б₁, Б₂ необходимо подать определенные постоянные напряжения.

Рассмотрим работу ОПТ в так называемом ключевом режиме, при котором транзистор может быть открыт или закрыт с помощью сигнала на входе транзистора, т.е. напряжением U_вх = U_эб1  U_э между контактами Э и Б₁. При открытом транзисторе (говорится, что транзистор как ключ  замкнут) через него протекает большой эмиттерный ток при малом сопротивлении прибора, при закрытом транзисторе (ключ разомкнут)  эмиттерный ток бесконечно мал из-за большого сопротивления прибора.

Рассмотрим предварительное состояние ОПТ при условии, что U_бб = 0.

Увеличивая входное напряжение U_вх = U_э > 0, мы создаем условия, при которых к контакту Э, а, значит, и к р-области эмиттера, приложен положительный потенциал. Очевидно, что эмиттерный р–n-переход прямо смещенный, и, значит, входной ток I_э при возрастании U_эб увеличивается по зависимости, близкой к экспоненциальной (рис. 4.15, б).

Соединим выводы Б₂ и Б₁ прибора с источником напряжения U_бб так, что на контакте Б₂  положительный полюс источника, и подадим на между контактами баз Б₂ и Б₁ напряжение U_бб > 0 (рис. 4.15, б).

Пусть первоначально входное напряжение равно U_э = 0 (рис. 4.15, в, точка 1 на ВАХ). Поскольку U_бб > 0, то за счет незначительного тока, протекающего между контактами Б₂ и Б₁ через объем кристалла, на резисторах R₂ и R₁ (рис. 4.15, а) возникает падение напряжения, причем U_R2 >>U_R1 = +U_вн.

Другими словами, в объеме n-области базы (рис. 4.15, а, например, область объема А около эмиттерного p-n-перехода) имеется положительный потенциал ₁. по отношению к заземленной базе Б₁.

Поскольку мы рассматриваем режим, при котором потенциал контакта Э равен нулю, то, очевидно, что эмиттерный p-n-переход включен в обратном направлении внутренним напряжением U_вн > 0. Через этот переход протекает межбазовый ток I_бб - небольшой ток обратно смещенного перехода, равный I_эб|_Uэ<0=  I_э0 (рис 4.15, б, точка 1 на ВАХ). Этот ток также вызывает падение напряжения в объеме кристалла полупроводника (U_R2 U_R1), которое распределяются пропорционально величине резисторов R₁ и R₂.

Не изменяя напряжения U_бб > 0, увеличим напряжение входного сигнала U_вх = U_эб такой полярности, что на контакте Э эмиттера будет + потенциал. Очевидно, что p-n-переход будет закрыт до тех пор, пока он не будет смещен в прямом направлении при условии U_э = U_вх = U_эб > U_вн.

По мере увеличения напряжения входного сигнала (полярность указана на рис. 4.15, а) p-n-переход, первоначально закрытый, начинает приоткрываться, и величина обратного тока "эмиттер – база" I_э уменьшается (по модулю) от значения I_э0 до 0, так как прямое напряжение U_э направлено встречно обратному напряжению ∆U_вн. Поэтому по мере увеличения входного напряжения при некотором значении U_э (точка 2 на ВАХ) ток I_э становится равным нулю (рис. 4.15, в).

При дальнейшем увеличении входного напряжения, как только выполняется условие |U_эб1| >|U_вн|, p-n-переход смещается в прямом направлении, и ток в цепи "эмиттер – база Б₁" становится положительным. Потенциальный барьер p-n-перехода понижается, и начинается интенсивный переход (инжекция) неосновных носителей заряда – дырок в область базы Б₁.(точка 3 на ВАХ).

При этом развивается регенеративный (лавинообразный) процесс, проявляющийся в следующем. Увеличение концентрации носителей заряда в объеме базы Б₁ приводит к уменьшению сопротивления R_б1 этой области. Заметим, что теперь через объем кристалла (базы Б₁ и Б₂) фактически протекает большой ток I_э. Следовательно, внутреннее падение напряжения, обусловленное током через кристалл I_э и равное U_вн = I_эR₁, уменьшается при интенсивном снижении сопротивления базы Б₁. По мере уменьшения значения U_вн и возрастании U_вх происходит увеличение разности напряжений (U_вх  U_вн) > 0, обеспечивая еще больший переход (инжекцию) дырок в объем базы Б₁. Инжекция дырок необратимо и лавинообразно возрастает, ток эмиттера возрастает, но ограничивается резистором R_э во входной электрической цепи (рис. 4.15, а). При некотором напряжении U_вх = U_вкл за счет резкого увеличения проводимости баз Б₁ и Б₂, ток через внешнюю нагрузку R_н скачком возрастает до величины I_э при соответствующем напряжении U_эб на входе транзистора (рис. 4.15, в, точка 4 на ВАЗ).

Дальнейшее увеличение напряжения U_э будет приводить к плавному увеличению тока уже открытого транзистора.

Как видно, регенеративный процесс приводит к появлению участка вольтамперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок II).

Для закрытия транзистора необходимо уменьшать напряжение U_эб до тех пор, пока ток I_э не упадет до величины I_выкл (рис. 4.15, точка 5 на ВАХ): при этом за счет уменьшения силы тока количество дырок, переходящих через p-n-переход уменьшается, и, соответственно, объем кристалла в области базы Б₁ обедняется неосновными носителями заряда (дырками). По мере рекомбинации ранее инжектированных дырок сопротивление кристалла в области базы Б₁ резко возрастает, и наступает обратный регенерационный процесс возвращения открытого транзистора в закрытое состояние.

Ранее были описаны свойства диода Ганна и туннельного диода (главы 1, 2), которые характеризуются ВАХ N-образного типа. В отличие от этих приборов, ОПТ – это полупроводниковый прибор с нелинейной ВАХ эмиттерной цепи S-образного типа.

ОПТ получили распространение в схемах управления тиристорами, в импульсных схемах для построения генераторов, преобразователей сигналов и т. п. С детальными сведениями об обозначениях полупроводниковых транзисторов, их параметрами и характеристиками следует ознакомиться при изучении справочников, например, [25], [26].