2.4. Биполярный транзистор

Транзистор – электронный элемент с тремя электродами. Наличие именно трех электродов должно было стимулировать закрепление иного названия – полупроводниковый триод. Такое название действительно существовало (сокращенно – ППТ), однако затем уступило современному термину. Слово «транзистор» объединяет два класса элементов с очень различающимися физическими принципами, свойствами, историей разработки и даже терминологией.

Первый из рассматриваемых класс транзисторов – биполярные. Все биполярные транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры с двумя электронно-дырочными переходами. Крайние слои имеют одинаковую проводимость, средний слой – противоположную. Таким образом, возможно два варианта чередования слоев и, соответственно, два типа биполярных транзисторов - n–p–n-типа и p–n–p-типа. Применение обоих типов транзисторов на практике различается только полярностью питающих напряжений.

Все три слоя полупроводника в транзисторе имеют выводы. Один из крайних слоев – тот, который является источником зарядов, образующих электрический ток, называется эмиттером. Средний слой носит название «база», а второй крайний слой – «коллектор» (по смыслу – «собиратель» зарядов). Работа транзистора зависит от того, электроны или дырки являются основными носителями заряда, а также от распределения потенциалов эмиттера φ_э, базы φ_б и коллектора φ_к.

В качестве примера будем рассматривать n–p–n-транзистор: в этом случае как на коллектор, так и на базу следует подавать питающее напряжение положительной полярности (относительно эмиттера) и объяснение принципа действия схем становится проще. При этом включения транзисторов p–n–p-типа ничем, кроме полярности питающих напряжений, не отличаются от включений n–р–n-транзисторов.

Рассмотрим три варианта распределения потенциалов электродов:

1). φ_э < φ_б < φ_к

При таком распределении потенциалов электроны из эмиттера под действием положительного потенциала базы проходят через открытый переход эмиттер-база (образуя ток эмиттера I_э, частично рекомбинируют в базе с дырками. Однако большинство электронов проходит сквозь базу и устремляется в коллектор, потенциал которого еще более положительный. Переход база-коллектор для электронов коллектора закрыт, но этот факт не препятствует электронам из эмиттера. База обычно имеет малую толщину, дырок в ней немного и возможности рекомбинации сильно ограничены. Подток дырок к зоне рекомбинации, а значит и базовый ток I_б невелик – основная часть I_э превращается в коллекторный ток I_к.

Меняя потенциал базы, можно регулировать интенсивность процесса прохождения электронов через переход эмиттер-база, а значит и значение I_к. Таким образом, транзистор представляет собой управляемый напряжением между базой и эмиттером источник тока. Описанный режим носит название линейного и используется в усилителях (см. гл. 5).

2). φ_э > φ_б < φ_к

При таком распределении потенциалов электродов закрыты оба электронно-дырочных перехода транзистора и ток через него практически не течет. Исключение составляет небольшой ток неосновных носителей, в данном случае дырок: для этих положительно заряженных частиц минус на базе является не тормозящим фактором, а стимулирующим их движение. Транзистор практически не управляем, представляет собой большое сопротивление. Описанный режим называется режимом отсечки и используется в ограничителях, электронных ключах, генераторах импульсов и ряде других электронных схем.

3). φ_э < φ_б > φ_к

В этом случае в транзисторе открыты оба электронно-дырочных перехода, через него течет максимально возможный ток. Транзистор неуправляем и представляет собой малое сопротивление. Описанный режим называется режимом насыщения и вместе с режимом отсечки используется в ограничителях, электронных ключах, генераторах импульсов.

Линейный режим занимает среднее положение между режимами отсечки и насыщения. Когда перед транзисторной электронной схемой ставят задачу воспроизведения формы многоуровнего сигнала (например, его усиление), то выход за пределы линейной зоны недопустим. Напротив, при формировании двухуровневых сигналов (например, прямоугольных импульсов) необходимо как можно быстрее перевести транзистор из отсечки в насыщение и обратно.

Более подробному рассмотрению принципа действия и свойств биполярных транзисторов посвящена глава 5 «Транзисторные усилители», а также п.п. 10.4, 10.5, 10.7, 10.9 и 10.10, посвященные транзисторным генераторам прямоугольных и пилообразных импульсов.