3. Идеальный для цифровой техники транзистор и реальный транзистор

При анализе цифровых схем транзистор используется в двух крайних состояниях, говорят, в виде «электронного ключа. При подаче на вход логического нуля (низкого напряжения) транзистор считается закрытым, выходная цепь разомкнута, ключ – выключен. При подаче на вход логической единицы (высоко напряжения) транзистор считается полностью открытым, выходная цепь замкнута, ключ – включен.

Идеальное представление заключается в том, что в закрытом состоянии транзистор заменяется «обрывом цепи», в открытом состоянии – коротким замыканием. Возможным небольшим током между базой и эмиттером пренебрегают. Такое представление упрощает анализ логических схем.

Реальный транзистор	Идеальный транзистор в закрытом состоянии	Идеальный транзистор в открытом состоянии
выход вход	выход вход	выход вход

Реальные транзисторы, естественно, отличаются от идеальных даже, если транзистор рассматривать только в двух предельных режимах.

Во-первых, реальный транзистор отличается от идеального представления тем же, что и реальный диод отличается от идеального (см. лекцию 3). Из этих отличий наиболее существенными являются наличие «обратного» тока, обусловленного собственной проводимостью и наличием неосновных носителей (электронов в p-типе и дырок в n-типе), и задержки переключения. Когда транзистор находится в состоянии насыщения, электроны из эмиттера проникают в базу, дырки – из базы в эмиттер. При закрытии транзистора требуется время для их рассасывания (возвращения электронов в эмиттер, дырок – в базу).

Во вторых, в биполярных транзисторах всегда есть ток между базой и эмиттером (Iэб). Этот ток в большинстве случае является «побочным эффектом», и его пытаются уменьшить (концентрацию электронов в эмиттере делают большой, а концентрацию дырок в базе небольшой). В результате Iэб << Iэк, и поэтому при анализе схем им пренебрегают. Но, как бы не уменьшали Iэб, совсем устранить мы его не можем. Поэтому говорят, что биполярные транзисторы управляются и напряжением (Uбэ), и током (Iэб), в отличие от полевых транзисторов, управляемых только напряжением (электрическим полем).

4. Полевые (униполярные, канальные) транзисторы

Принцип работы полевых транзисторов принципиально иной, чем биполярных, и значительно проще. Несмотря на большое разнообразие полевых транзисторов, они имеют в принципе одинаковую структуру. Это, во-первых, полупроводниковая подложка, имеющая слои p-типа и n-типа и два вывода энергии: исток (аналог эмиттера) и сток (аналог коллектора). Третий электрод – металлический затвор служит для управления процессами в полупроводниковой подложке. Полевые транзисторы мог быть двух типов: n-канальный (в которых может образовываться канал - сплошной слой полупроводника n-типа) и p-канальный (соответственно канал p-типа).

Рассмотрим работу транзисторов с, так называемым, индуцированным каналом. В нормальном состоянии (без подачи входного сигнала на затвор) канал отсутствует, входной сигнал может навести канал и “открыть” транзистор.

n-канальный

сток (электронов)

сток

исток

подложка транзистора, в которой может наводиться канал

затвор

затвор

исток (электронов)

p-канальный

сток

сток (дырок)

подложка транзистора, в которой может наводиться канал

исток

затвор

затвор

исток (дырок)

Если на входе ноль, транзисторы закрыты. В подложке между истоком и стоком находятся фактически два диода, включенных навстречу друг другу. Ситуация не изменится, если на вход – металлический затвор подать “минус” в n-канальном транзисторе или “плюс” в p-канальном.

Если в n-канальном транзисторе на вход подать “плюс”, дырки подложки будут отталкиваться, а электроны притягиваться к затвору. Образуется канал, целиком состоящий из полупроводника n-типа. Если между истоком и стоком приложить напряжение, электроны могут перемещаться от истока к стоку как по обычному проводнику.

С увеличением входного сигнала канал расширяется, сопротивление транзистора уменьшается, растет ток и меняются напряжение в выходной цепи (между истоком и стоком). Затем транзистор открывается полностью, и входной сигнал ужу не влияет на выходной, наступает режим насыщения.

Аналогично ведет себя p-канальный транзистор при подаче на вход “минуса”. Образуется канал, целиком состоящий из полупроводника p -типа.

	вых. сигнал

вых. сигнал

вх. сигнал

вх. сигнал

Несмотря на различия в устройстве, функционально n-канальный транзистор аналогичен npn транзистору, а p-канальный pnp транзистору.