Лекция №3

§3. Транзисторы

§3.1 Биполярный транзистор

Слово транзистор образовано из двух составляющих: trans – переносить, rezist – сопротивление.

Транзистор – это усилительный нелинейный элемент. Существуют две разновидности транзисторов – Биполярный и полевой.

Биполярный транзистор имеет два взаимодействующих выпрямляющих p-n перехода. Транзисторный эффект проявляется только когда эти p-n переходы выполнены очень близко друг от друга внутри одного монокристалла.

Такая структура представляет собой два диода с общей базой, включенной навстречу друг другу, получаем следующие схемы транзисторов: а). структура слоев, б). эквивалентная схема из двух диодов, в). условное обозначение

а)

б)

в)

Выводы транзистора обозначаются:

Э – эмиттер

К – коллектор

Б – база

Также обозначены эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) п-р переходы.

В зависимости от чередования слоев бывают транзисторы п-р-п и р-п-р структуры.

Усилительные свойства биполярного транзистора обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда обеих полярностей – дырок и электронов.

Инжекция – ввод неосновных для этой области носителей заряда под действием прямого напряжения. Инжекция происходит из области зарождения зарядов, то есть области, подключенной к прямому напряжению (чаще всего из эмиттера в базу в схеме с общим эмиттером).

Экстракция – извлечение основных носителей для данной области под действием обратного напряжения. Экстракция происходит из промежуточной области в выходную (чаще всего из базы в коллектор в схеме с общим эмиттером).

Итак, транзистор имеет два p-n перехода. Первый, примыкающий к эмиттеру, называется эмиттерным, он является главным, определяющим.

Обычно, чаще всего к ЭП подключено прямое напряжение, а к КП – обратное.

Расстояние между переходами, т.е. толщина базы «b» должна быть меньше диффузионной длины электрона, т.е. длины свободного пробега от момента генерации до рекомбинации – L, но меньше длины волны электрона – .

Если b>L, то основная масса электронов застрянет в базе, если b< , то возможно просачивание электронов сквозь транзистор, а следовательно потери тока.

В зависимости от способа легирования базы различают дрейфовые и диффузионные транзисторы.

Диффузионные основаны только на процессах диффузии, при этом база однородна.

Если база неоднородна, то у носителей заряда к процессу диффузии добавляется дрейф в электрическом поле базы.

Обозначим N – количество легирующих примесей в транзисторе, тогда N_э – количество легирующих примесей в эмиттере, N_Б – в базе, N_к – коллекторе. Для стабильной работы транзистора должно выполняться следующее неравенство:

N_э> N_к >> N_Б.

Разберем работу n-p-n транзистора.

Под действием прямого напряжения электрон попадает в базу из эмиттера – инжекция. Имеем прямо смещенный эмиттерный переход. Величина напряжения открытия ЭП 0.2В для Ge, 0.7В для Si. В это же время происходит инжекция дырок из Б в Э, но т.к. N_Б<N_э то этим можно пренебречь. Электроны, инжектируя в базу образуют эмиттерный ток I_Э.

I_Б

I_K

I_КБО

I’_Б

I’_K

Часть электронов, инжектированных эмиттером будет рекомбинировать в базе с дырками, образуя ток базы I_Б, но т.к. N_Б << N_э , то I_Б очень мал. Подавляющая часть электронов доходит до коллекторного перехода, который смещен в обратном направлении, и там захватываются электрическим полем перехода и перебрасываются в квазинейтральную область коллектора (экстракция электронов), образуя коллекторный ток I’_к. Эффективность перемещения электронов через базу учитывается коэффициентом передачи тока эмиттера

I’_К = I_Э (1)

- статический коэффициент передачи тока Э.

= 0,993…0,999

Так как ≈1, следовательно I_К I_Э (2)

Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток базы I_КБО, образованный потоком дырок из коллектора в базу под действием прямого (для дырок) напряжения, таким образом можно записать:

I_К =I_К + I_КБО

I_Б =I_Б + I_КБО

I_К = I_Э + I_КБО

Так как I_Э>>I_КБО, при нормальной температуре, следовательно им можно пренебречь

Запишем первый закон Киргофа для точки соединения эмиттера, базы и коллектора:

I_Б = I_Э - I_к

I_Б = I_к/ - I_к

I_Б = I_к( )

I_к = I_Б( ) =

- динамический коэффициент передачи тока, >>1

I_к = I_Б (3)

Из выражений 2 и 3 следует, что транзистор – управляемый элемент, причем управляется током, т.к. значение выходного тока I_к зависит от значений входных токов: I_Б и I_Э. Ток базы является управляющим, ток эмиттера задающим. Ток базы очень мал по сравнению с током коллектора, поэтому биполярный транзистор – прибор, усиливающий ток.

Реальная структура БП транзистора

Каждый из переходов имеет боковую и донную части. Рабочая область расположена под донной частью эмиттерного перехода. Заштрихованные области – паразитные сопротивления.

Сопротивление прямосмещенного ЭП мало – сотни Ом, а сопротивление обратносмещенного КП очень велико порядка мега Ом, следовательно в коллекторную цепь можно включать нагрузку с большим сопротивлением не изменяя I_К, следовательно, т.к. I_к I_Э и R_КП>>R_ЭП, то по формуле P=I²R – транзистор является усилителем мощности.

Далее так как U_ЭП 0,3…0,7В, U_КП 10…30В, следовательно U_ЭП<< U_КП значит транзистор – усилитель напряжения.