6.1. Конструкція та принцип роботи транзисторів

Транзистори є напівпровідниковими приладами, які складаються з двох електронно-діркових переходів, виконаних на одному кристалі.

В транзисторі є три області: емітера, бази та колектора. Перехід, який утвориться на межі областей емітер - база, називається емітерним, а на межі база - колектор – колекторним. (Надалі з метою стислості емітерний та колекторний p‑n переходи будуть називатися просто переходами). Провідність бази може бути як електронною, так і дірковою; відповідно розрізняють транзистори зі структурами p‑n‑p та n‑p‑n (Рис. 6.1, а).

Рис. 6.1. Схематичне зображення транзисторів типів n‑p‑n та p‑n‑p (а), розподіл концентрації основних носіїв уздовж структури транзистора в рівноважному стані (б) та умовне графічне позначення транзисторів (в)

Принцип роботи транзисторів обох типів однаковий, відмінність полягає тільки в тому, що у транзисторі зі структурою p‑n‑p основний струм, який протікає через базу, створюється дірками,  які інжектуються з емітера, а в транзисторі n‑p‑n — електронами. У підсилювальному режимі роботи транзистора емітерний перехід зміщують у прямому напрямку, колекторний — у зворотному (Рис. 6.1, а).

На Рис. 6.1, б показані умовні графічні позначення транзисторів. Емітер зображується у виді стрілки, яка вказує прямий напрямок струму емітерного переходу.

Якби емітерний та колекторний переходи знаходилися на великій відстані один від одного, тобто товщина бази була б значно більшою за дифузійну довжину, то носії, інжектовані емітером, не доходили б до колектора, а рекомбінували в базі. Така система з двох p‑n переходів вела б себе як два взаємно незв'язаних напівпровідникових діоди. Причому вольт-амперна характеристика емітерного переходу становила би пряму, а колекторного — зворотну гілку характеристики діода.

Особливість транзистора полягає у взаємному впливі переходів один на одного. Для ефективного впливу емітерного переходу на колекторний необхідно виконання наступних основних вимог:

• Товщина бази транзистора повинна бути набагато меншою за дифузійну довжину вільного пробігу інжектованих у неї носіїв, .

• База повинна мати концентрацію основних носіїв набагато меншу за концентрацію основних носіїв в області емітера. На Рис. 6.1, в показаний розподіл концентрації основних носіїв для рівноважного стану уздовж структури транзистора, що має різкі межі між областями. (Концентрацію основних носіїв в області колектора зазвичай роблять трохи меншою, аніж в області емітера.)

• Площа колекторного переходу повинна бути в кілька разів більшою за площу емітерного переходу.

Необхідність виконання цих вимог при створенні транзисторів буде пояснена надалі.

На Рис. 6.2, а показаний транзистор структури p‑n‑p з під'єднаними до нього джерелами живлення, а на Рис. 6.2, б наведений розподіл потенціалу уздовж структури транзистора (штрих ‑ пунктирною лінією — без напруг живлення, з напругами живлення — суцільною). Для простоти міркувань емітерний та колекторний переходи вважаються нескінченно тонкими.

При під’єднанні колекторної напруги  відбувається зворотне зміщення колекторного переходу та в колекторному колі з'являється слабкий струм (як у напівпровідниковому діоді, увімкненому в зворотному напрямку). Надалі цей струм буде називатися некерованим струмом колектора та позначатися .

При під’єднанні емітерної напруги  відбувається пряме зміщення емітерного переходу та в емітерному колі з'являється струм емітера , який, в основному, визначається струмом дифузії.

Струм дифузії емітера має дві складові: електронну  та діркову  :  .

Якщо концентрація основних носіїв в емітерній та базовій областях була б однакова, то емітерний струм складався б наполовину з електронів, інжектованих з бази в емітер, наполовину з дірок, інжектованих з емітера в базу. Але оскільки в транзистора база збіднена основними носіями (електронами провідності), а область емітера, навпаки, має дуже високу концентрацію основних носіїв (дірок), діркова складова струму емітера в транзистора набагато більша зайвої електронної складової .

Зайвою в роботі транзистора електронна складова виявляється тому, що вона замикається через коло бази та не бере участь у створенні струму колектора. Дифузія електронів з бази в емітер поповнюється припливом у базу нових електронів із зовнішнього кола, що і визначає величину та напрямок електронної складової струму емітера. Для кола бази  є одним зі складових струму бази (Рис. 6.2, а).

Відношення

називається ефективністю емітера. Оскільки електронну складову  прагнуть зробити якнайменшою, ефективність емітера транзистора виявляється близькою до одиниці.

Діркова складова струму емітера визначається переходом дірок з емітера в базу. Інжектовані в базу дірки під дією теплової дифузії, яка прагне вирівняти їх концентрацію по всьому об’єму бази, переміщуються в напрямку колектора.

Оскільки електричне поле в базі транзистора, яке створюється джерелами живлення, відносно невелике, можна вважати, що переміщення дірок від емітера до колектора через тонку базу відбувається винятково за рахунок дифузії. При неперервній інжекції ( ) у базі встановлюється відповідний розподіл концентрації дірок, що і визначає їх перенесення через базу. Наприклад, струмові  відповідає крива розподілу 2, показана на Рис. 6.2, в. Якщо збільшити пряме зміщення емітерного переходу (збільшити  до значення ), то концентрація дірок біля емітера зростає, а біля колектора залишиться, як і раніше, рівною нулеві (крива 3, Рис. 6.2, в). При цьому збільшиться градієнт концентрації і, отже, зросте дифузійний струм дірок до колектора.

Підійшовши до зворотно зміщеного колекторного переходу, дірки зовсім вільно (як неосновні носії) переходять з бази в колектор, збільшуючи тим самим струм колектора. Оскільки дірки переходять з бази в колектор безперешкодно, їх концентрація на межі бази з колекторним переходом виявляється рівною нулеві.

Деяка кількість дірок при своєму русі в базі встигає рекомбінувати з електронами провідності, викликаючи тим самим додатковий приплив електронів у базу з зовнішнього кола. Це обумовлює розподіл діркової складової струму емітера:

,

де  — рекомбінаційна складова струму емітера, яка збігається за напрямком з  (замикається через коло бази);  — частина струму емітера, яка замикається через колекторне коло (Рис. 6.2, а).

Як було сказано раніше, при виготовленні транзистора базу роблять тонкою та збідненою основними носіями, а площу колекторного переходу - у кілька разів більшою за площу емітерного. При цьому, як показано на Рис. 6.3, в колектор попадає переважна більшість інжектованих дірок, які рухаються під дією дифузії в напрямку зменшення своєї концентрації. Тому .

Відношення  називається коефіцієнтом перенесення.

Зі сказаного випливає, що в транзистора величина , як і , близька до одиниці. Тому і відношення

,

яке називається статичним (інтегральним) коефіцієнтом передачі струму емітера, також виявляється близьким до одиниці. Цей коефіцієнт показує, яка частина струму емітера замикається через колекторне коло.

		Рис. 6.3. Розріз сплавного площинного транзистора типу p‑n‑p, виготовленого на основі германію (Стрілками показані шляхи дірок, які рухаються під дією дифузії в напрямку зменшення концентрації)
Рис. 6.2. Розподіл струмів у транзисторі (а), потенціалу уздовж структури транзистора (б) та нерівноважних неосновних носіїв у базі при різних струмах емітера (в)

Перший закон Кірхгофа стосовно транзистора дає рівність:

,

де згідно Рис. 6.2, а: ; ; , у результаті одержуємо .

Поряд з  часто використовують статичний (інтегральний) коефіцієнт передачі струму бази

.