Биполярные и полевые транзисторы. Их характеристики и практическое применение.

Транзисторы используются для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также в цифровой технике.

Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer - преобразователь и resistor - сопротивление.

Биполярные транзисторы

Определение "биполярный" указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух типов - электроны и дырки.

Биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р - n перехода. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p - n - р. У транзистора структуры n - p - n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними - область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

а б

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p-n-p и n-p-n.

Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область - эмиттером, вторую крайнюю область - коллектором. Это три электрода транзистора.

Существуют сплавной и диффузионно - сплавной способы изготовления транзисторов.

Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показана на (рис. 2). Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу - ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света.

Рис. 2 Устройство и конструкция сплавного транзистора

структуры p - n - p.

Коллектором диффузионно - сплавного транзистора служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 - правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 - левый) эмиттерную область. В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р - n перехода, образующие транзистор структуры р - n - р.

Рис. 3 Устройство и конструкция

диффузионно – сплавного транзистора структуры p - n - p.

Режимы работы биполярного транзистора.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток

2. Режим насыщения – оба p-n перехода открыты

3. Активный режим – эмиттерный p-n переход (ЭП) открыт, а коллекторный p-n переход (КП) закрыт

4. Инверсный – эмиттерный p-n переход (ЭП) закрыт, а коллекторный p-n переход (КП) открыт

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Эффективное управление транзистором осуществляется только в активном режиме:

При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток I_э. Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из p-полупроводника, поэтому электроны являются для неё неосновными носителями заряда.

Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из p-проводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с её дырками, образуя базовый ток I_б. Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока I_к.

Отношение токов коллектора и эмиттера характеризует коэффициент передачи тока

.

Усилительные свойства транзистора вытекают из его технологического исполнения и принципа действия.

Усилительные свойства транзистора оценивают обычно по величине так называемого статического коэффициента передачи тока. который обозначается h_21э (или β). Этот коэффициент показывает, во сколько раз изменение тока коллектора больше вызвавшего его изменения тока базы. У большинства исправных транзисторов величина h_21э составляет от 10—12 до 200—300.

Управляющее свойство транзистора заключается в том, что большим током коллектора можно управлять достаточно маленьким током базы. Причем в активном режиме малое изменение тока базы прямо пропорционально большому изменению тока коллектора: