Транзисторы

1.1. Общие сведения о транзисторах

В 1948г. Д.Бардин и В.Браттейн, работая с точечным p-n переходом, обнаружили, что устройство с двумя p-n переходами способно создавать усиление электрических колебаний по мощности. Они назвали это устройство транзистором (от английских слов: "transfer" - преобразователь и "resistor" - сопротивление). В настоящее время транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и с тремя или более выводами. По конструкции транзисторы могут быть как точечными, так и плоскостными, однако, хотя точечные транзисторы появились первыми, нестабильность их работы привела к тому, что в настоящее время выпускаются только плоскостные транзисторы. Плоскостной транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором две области с проводимостью одного типа разделены областью с проводимостью противоположного типа. Таким образом могут быть получены структуры p-n-p и n-p-n (см.рис.1.1 а и б).

Каждая область имеет название: область 1 - эмиттер (Э); область 2 - база (Б); область 3 - коллектор (К).

Между областями с разным типом проводимости образуются p-n переходы. P-n переход, образующийся между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом (ЭП); p-n переход, образующийся между базой и коллектором, называется коллекторным переходом (КП). Для соединения с внешней электрической схемой эмиттер, база коллектор имеют выводы, представляющие собой невыпрямляющие (омические) контакты полупроводника с металлом. Вся система помещается в герметизированный корпус, а выводы электродов выводятся наружу. Эмиттерный и коллекторный переходы могут быть получены различными методами. От метода получения переходов зависит распределение примеси в области базы. Если концентрация примеси в области базы распределяется равномерно (например, при получении p-n переходов методом сплавления), то, с известной долей пренебрежения, можно считать, что электрическое поле в базе отсутствует. поле в базе отсутствует.

Если концентрация примеси в области базы распределена неравномерно (что происходит при создании p-n переходов с помощью диффузионных процессов), то это приводит к появлению электрического поля, величина которого зависит от характера неравномерности распределения примеси. Максимальное постоянное электрическое поле в области базы появляется при экспоненциальном распределении концентрации примеси. Транзисторы с однородным распределением концентрации примесей в базе (электрическое поле базы практически отсутствует) называются бездрейфовыми. Транзисторы с неоднородным распределением концентрации примеси в базе (существует электрическое поле базы) называются дрейфовыми. Как на эмиттерный, так и на коллекторный переходы может быть подано либо прямое, либо обратное напряжение. В зависимости от знака напряжения, подаваемого на эмиттерный и коллекторный переходы, различают три режима работы транзистора: 1) режим насыщения - на оба p-n перехода подано прямое напряжение; 2) режим отсечки - на оба p-n перехода подано обратное напряжение; 3) активный режим - на один из переходов подано прямое напряжение, а на другой - обратное. В режиме насыщения, когда на эмиттерный и коллекторный переходы подается прямое напряжение, потенциальный барьер снижается, и через переходы в область базы инжектируются неосновные носители заряда - дырки в случае транзистора p-n-p. В результате база насыщается неосновными носителями, транзистор ведет себя как малое сопротивление, и токи через него ограничиваются в основном за счет элементов внешней цепи. В активном режиме обычно на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный переход - обратное (хотя возможно и так называемое инверсное включение, когда на ЭП подается обратное напряжение, а на КП - прямое). В этом случае эмиттер инжектирует в базу неосновные носители заряда-дырки, причем их количество (концентрация) зависит от величины напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. Диффузионно передвигаясь в базе, почти все неосновные носители (лишь небольшая часть рекомбинирует с основными носителями заряда базы) достигают коллекторного перехода. Т.к. электрическое поле коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, является ускоряющим для неосновных носителей, то они "проталкиваются" через переход и собираются в коллекторе. Таким образом, ток через транзистор в основном является током неосновных носителей заряда, величина которого определяется величиной прямого напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. То обстоятельство, что этот ток протекает через ЭП, имеющий малое сопротивление, и КП, имеющий большое сопротивление, создает условия, позволяющие получить усиление напряжения и мощности электрических сигналов. Из сказанного следует, что транзистор может быть использован как усилитель электрических колебаний, при этом работает в активном режиме, и как переключатель - в момент прохождения импульса он работает в режиме насыщения, в промежутке между импульсами - в режиме отсечки, и в момент переключения - в активном режиме. Транзистор может работать как в прямом (на ЭП подается прямое напряжение, на КП -обратное), так и в инверсном включении, когда роль эмиттера выполняет коллектор, а роль коллектора- эмиттер. Инверсное включение представляет практический интерес при использовании транзистора в качестве малотокового переключателя. При работе транзистора в качестве усилителя такое включение чаще всего нецелесообразно.