Лекція 16. Транзистори.

План

• Класи транзисторів.

• Устрій та принцип дії біполярного транзистора.

• Режими роботи біполярного транзистора.

• Способи включення та характеристики схем включення.

• Статичні і динамічні характеристики схем включення.

• Хрест-характеристика транзистора.

• Підсилювачі.

Класи транзисторів.

Транзисторами називаються напівпровідникові прилади, які підсилюють сигнали за потужністю. Транзистори мають гаму конструктивно–технологічних різновидів, але по принципу дії їх ділять на два основних класи: біполярні та уніполярні.

В основі роботи біполярних транзисторів лежить інжекція неосновних носіїв заряду. Тому невід’ємною складовою частиною біполярного транзистора є р-n перехід. Назва «біполярний» підкреслює роль обох типів носіїв заряду (електронів та дірок) в роботі цього класу транзисторів: інжекція неосновних носіїв супроводжується компенсацією їх зарядів основними носіями.

Робота уніполярного транзистора основана на використанні тільки одного типа носіїв – основних (або електронів, або дірок). Процеси інжекції та дифузії в таких транзисторах практично відсутні, в усякому випадку вони не відіграють принципової ролі. Основним способом руху носіїв служить дрейф в електричному полі.

Для управління струмом у напівпровіднику при постійному електричному полі необхідно міняти або питому провідність напівпровідникової смуги, або його площу. На практиці використовують обидва способи, в основі яких лежить ефект поля. Тому уніполярні транзистори іменують також польовими транзисторами. Смуга, по якій протікає струм, називають каналом. Звідки ще одна назва такого класу транзисторів – канальні транзистори.

Предметом цього розділу є вивчення фізичних процесів у біполярному транзисторі та аналіз його основних характеристик і параметрів.

Устрій та принцип дії біполярного транзистора.

Біполярний транзистор – це напівпровідниковий прилад, який має два зустрічно включених взаємодіючихр-n переходи. Основним елементом транзистора є кристал германія або кремнію, в якому створені три області з різним типом провідності. Дві крайні області завжди мають провідність однакового типу, протилежного типу провідності середньої області. Між середньою і крайніми областями і утворюються р-n переходи. Взаємодіяпереходів забезпечується тим, що вони розміщені достатньо близько один від одного – на відстані, що менша дифузійної довжини носіїв.

В реальних транзисторах площі обох р-n переходів суттєво відрізняється, що видно з рисунку. Перехід n₁–р має набагато меншу площу, ніж n₂–р; крім того, в більшості транзисторів один із крайніх шарів (шар з меншою площею - n₁) легований домішками набагато більше, чим інший (n₂). Таким чином транзистор є асиметричним приладом.

Асиметрія транзистора зберігається в назві крайніх шарів: сильно легований шар з меншою площею (n₁) називають емітером, а шар з більшою площею (n₂) називають колектором. Відповідно розрізняють емітерний та колекторний переходи (n₁–р, n₂–р). Середній шар транзистора називають базою.

Транзистор, що зображений на рисунку, характерний тим, що його крайні шари (емітер та колектор) мають провідністьn–типу, а середній шар (база) – провідність р–типу. Транзистори з такою структурою називають n–р–n–транзисторами. У мікроелектроніці вони відіграють основну роль. Крім того використовуються транзистори, у яких емітер та колектор мають провідність р–типу, а база – провідність n–типу. Транзистори з такою структурою називають р–n–р–транзисторами. По принципу дії вони нічим не відрізняються від n–р–n–транзисторів, але їм властиві інші полярності робочих напруг, а також ряд кількісних особливостей. Умовні позначення в схемах n–p–n і p–n–p транзисторів показані на рисунку.

Транзистори р–n–р не мають у мікроелектроніці самостійного значення, тобто не використовуються замість n–р–n транзисторів у схемах одного і того ж класу. Але вони відкривають можливість комбінування n–р–n та р–n–р транзисторів в одній і тій же схемі. Така комбінація у деяких випадках забезпечує спрощення структури та оптимізацію параметрів відповідних схем. Транзистори n–р–n та р–n–р у таких схемах, а також самі схеми такого типа називають комплементарними (доповнюючими).

Принцип роботи транзистора заснований на управлінні струмами електродів в залежності від підведених до його р–n переходів напруг. У загальному випадку ця залежність є складною, тому проведемо аналіз на спрощеній моделі p–n–p транзистора без урахування ряду чинників, що впливають на його властивості.

При відсутності напругU_БЕ і U_БЕ на кожному з переходів (див. лекцію 14) утворюється потенціальний бар’єр з різницею потенціалів U₀. Полярності напруг, утворених на переходах, показані на рисунку, що ілюструє роботу n–p–n транзистора (а) і еквівалентну схема його заміщення (б).

При підключенні зовнішнього джерела напруги U_КБ до колекторного переходу (позитивним полюсом до колектора, негативним – до бази) напруга на переході «база–колектор» збільшиться до рівня U₀ + U_КБ і, оскільки зовнішнє поле співпадає з напрямом поля U₀, цей перехід буде закритий. Колекторний струм при цьому визначається лише незначною дифузією вільних електронів з колектора в базу для підтримки рівня U₀ потенціального бар’єра і складає в залежності від типу транзистора 0,1%…1% струму колектора при відкритому переході.

При підключенні зовнішнього джерела напруги U_БЕ до емітерного переходу (позитивним полюсом до бази, негативним – до емітера) напруга на переході «емітер–база» зменшиться до рівня U_БЕ – U₀, оскільки зовнішнє поле протилежне напряму поля U₀. Звичайно |U_БЕ| << |U_КБ|. Коли прикладена напруга U_БЕ перевищить рівень потенціального бар’єра U₀, перехід «емітер–база» відкриється і через нього почне протікати струм емітера І_Е. При цьому вільні електрони з області n емітера переходять в область р бази (інжекція електронів) і, оскільки геометричні розміри бази дуже малі, підпадають під дію напруги U₀ + U_КБ на колекторному переході, яка сприяє їх вільному переходу в область n колектора (екстракція електронів). Одночасно дірки бази будуть переходити в область емітера. Таким чином утворюється струм І_К.

Природно, що в області бази незначна частина вільних електронів дістанеться електрода бази Б і утворить струм бази І_Б. Очевидно, що чим менше товщина бази, тим менше І_Б і тим ближче величина І_К до величини І_Е. Однак в будь якому випадку І_Е = І_Б + І_К, або І_Б = І_Е – І_К, або І_К = І_Е – І_Б.

Отже, в n–p–n транзисторі при підключені до бази додатної відносно емітера напруги з’являється колекторний струм І_К, якщо до колектора прикладена відносно бази додатна напруга. Змінюючи значення напруги U_БЕ і, отже, величину струму І_Б, можна змінювати значення І_К, що протікає в колекторному колі.

Аналогічні явища відбуваються в p-n-p транзисторі. Підключення зовнішніх джерел забезпечує включення емітерного переходу в прямому напрямку, а колекторного – в зворотному. Через емітерний р-n перехід здійснюється інжекція дірок з емітера в область бази. Одночасно електрони бази будуть проходити в область емітера. Оскільки в транзисторах концентрація носіїв зарядів в базі значно менша, ніж в емітері, то це призводить до того, що кількість дірок, інжектованих в базу, на багато перевищує кількість електронів, що рухаються в протилежному напрямку. Отже, майже весь струм через емітерний р-n перехід в p-n-p транзисторі зумовлений дірками. Потрапивши в базу, для якої дірки є неосновними носіями заряду, незначна частина дірок рекомбінує з електронами, утворюючи базовий струм І_Б. Переважна ж більшість дірок встигають пройти крізь тонкий шар бази, досягти колектора і потрапити під дію прискорюючого для них електричного поля колекторного переходу. В результаті екстракції дірки швидко втягуються із бази в колектор і беруть участь в утворені струму колектора.

Для оцінки впливу струму І_Е на струм І_К введено поняття «коефіцієнт передачі за струмом в схемі зі спільною базою – ». Саме ця схема показана на рисунку (а), де обидві напруги (емітерна – U_БЕ і колекторна – U_КБ) подаються на емітер і колектор відносно бази. Величина  визначається при такій схемі включення за формулою  = І_К / І_Е і завжди менша 1, оскільки колекторний струм є частиною емітерного. Чим «тонша» база, тим коефіцієнт передачі за струмом  ближчий до 1.

Якщо управляти базовим струмом І_Б, змінюючи додатну напругу U_БЕ відносно емітера, забезпечуючи при цьому постійну додатну напругу U_КЕ (така схема включення називається «схемою із спільним емітером»), то в цьому випадку можна записати:

І_Б = І_Е – І_К = І_Е(1 – ).

Ввівши позначення  = І_К / І_Б і поділивши обидві частини попереднього рівняння на І_К, отримуємо: 1 /  = (1 – ) / , звідки   =  / (1 – ).

Величина  = І_К / І_Б називається «коефіцієнт підсилення за струмом в схемі зі спільним емітером». Очевидно, що при  < 1 завжди  > 1 і чим ближче  до 1, тим вище значення . В реальних конструкціях біполярних транзисторів  = 0,95…0,995, що забезпечує  = 20…1000.