Тема 5. Биполярные транзисторы. §5.1. Определение

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами. Полупроводниковый кристалл такого транзистора состоит из трех различных областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми находятся два p-n перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого. В зависимости от порядка расположения трех областей в полупроводниковом кристалле различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их упрощенные структуры и условные обозначения показаны на рис.5.1.1,а,б. Центральную область кристалла называют базой (Б), а наружные области - соответственно эмиттером (Э) и коллектором (К). P-n переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n переход между коллектором и базой - коллекторным. Часть поверхностей эмиттера, базы и коллектора покрывают металлическими пленками. К этим пленкам приваривают или припаивают выводы, с помощью которых на переходы транзистора подается внешнее напряжение.

Рис. 5.1.1. Структуры и схемное обозначение npn (а) и pnp (б) транзисторов.

§5.2. Принцип действия

Для того чтобы понять принцип действия транзистора, рассмотрим его упро­щенную модель (рис. 5.2.1, а) и распределение потенциала в ней, соответствующее активному режиму работы (рис. 5.2.1, б). Через и на ней обозначены по­тенциальные барьеры, соответственно, эмиттерного и коллекторного переходов. Концентрация примеси в эмиттере больше, чем в коллекторе, поэтому . При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения потенциальный барьер в нем снижается на величину приложенного напряжения и_эб, а при подаче на коллекторный переход обратного напряжения потенциальный барьер в нем по­вышается на величину и_кб.

Рис 5.2.1

Через низкий потенциальный барьер в эмиттерном переходе электроны перехо­дят в базу (поток 1), диффундируют через нее, достигают коллекторного перехо­да, попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода и переносятся этим по­лем в область коллектора. Перемещаясь через базу, часть электронов встречается с дырками и рекомбинирует с ними, в результате чего поток 1 разделяется на две части – поток и поток .

Помимо основного потока 1 в транзисторе существуют побочные потоки носите­лей заряда. Поток 3 образован перемещением дырок из базы в эмиттер. Потоки 6 ив, образованные неосновными носителями заряда, создают тепловой ток коллек­торного перехода. Полезную функцию в транзисторе выполняет только поток , протекающий через оба p-n-перехода транзистора и образующий ток связи I_эк, который имеет одно и то же численное значение как в цепи эмиттера, так и в цепи коллектора. Величиной тока связи можно управлять, изменяя напряжение на эмиттерном переходе. Наличие тока связи позволяет применять транзистор для усиления электрических сигналов. Все остальные потоки являются бесполезными и должны быть сведены к минимуму. С этой целью концентрацию примеси в эмиттере увеличивают по сравнению с концентрацией примеси в базе при­мерно на два порядка (), а базу делают очень узкой (W_б 1 мкм) с тем, чтобы уменьшить рекомбинацию. В некоторых случаях при­месь в базе распределяют неравномерно, благодаря чему в базе возникает внут­реннее электрическое поле, поэтому электроны быстрее перемещаются через базу и рекомбинация в ней уменьшается. Концентрация примеси в коллекторе, как правило, ниже, чем в эмиттере, благодаря этому коллекторный переход получается более широким, что позволяет подавать на него высокое обратное напряжение и тем самым улучшить усилительные свойства транзистора.

Из рассмотренного следует, что, изменяя прямое напряжение на эмиттерном пе­реходе, можно изменять ток через коллекторный переход при постоянстве обрат­ного напряжения на этом переходе. Это равнозначно изменению сопротивления коллекторного перехода, то есть в транзисторе в результате поступления элект­ронов из эмиттера в коллекторный- переход происходит преобразование сопро­тивления коллекторного перехода (transfer of resistor). При переводе транзистора в режим отсечки поступление электронов в коллекторный переход прекращает­ся, и сопротивление перехода оказывается очень высоким, через него перемещаются только потоки 6 и 8, создающие весьма незначительный ток в коллекторной цепи. Если транзистор переведен в режим насыщения, то концентрация под­вижных носителей заряда в коллекторном переходе увеличивается и его со­противление резко уменьшается. Таким образом, переводя транзистор из режима насыщения в режим отсечки, возможно использование транзистора в качестве электронного ключа, замыкающего и размыкающего электрическую цепь.

Способность транзистора усиливать мощность электрических сигналов проявля­ется только в активном режиме. Если в этом режиме в цепь эмиттера последова­тельно с источником постоянного напряжения включить источник переменного напряжения с амплитудой U_эm, то ток связи будет изменяться с амплитудой I_эm и от источника переменного напряжения будет потребляться мощность где r_э — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. При наличии в коллекторной цепи резистора нагрузки R_н ток связи выделит в нем мощность

Эта мощность в R_н,/r_э раз больше мощности, потребленной от источника переменного напряжения во входной цепи, то есть транзистор обладает усилительным эффектом. Этот усилительный эффект обусловлен тем, что, затрачивая небольшую мощность на изменение сопротивления коллекторного перехода, можно управлять током, потребляемым от источника постоянного тока, включенного в коллекторную цепь, и преобразовывать мощность источника постоянного тока в мощность переменного тока, выделяемую в резисторе нагрузки, включенном в коллекторную цепь.