21.17. Напівпровідниковий тріод - транзистор

Призначення транзистора: лінійно (без спотворення) підсилити вхідний змінний сигнал по напрузі дота потужності віддона рівні сталої напруги зміщення_. Включення транзистора як підсилювача можна розглянути по схемі зі спільною базою (див. Мал.105).

Транзистор має три елементи: емітер (е), базу (б) та колектор (к). Він виготовляється на основі одного напівпровідникового кристала з провідністю p-n-p або n-p-n відповідно. Для простоти розгляду роботи транзистора, будемо вважати, що об'єм бази менший об'єму емітера настільки, що внеском носіїв струму бази у струм емітер-база можна знехтувати, тобто можна вважати, що цей струм створюється лише за рахунок носіїв струму емітера.

Через р-n контакт може проходити струм лише одного напрямку. Для проходження змінного струму вхідного сигналу в обох напрямках, включаються відповідні постійні напруги зміщення: на вході у транзистор (див.Мал.242) буде напруга U_з,е-б від джерела постійного струму, яка модулюється напругою вхідного сигналу U_вх (остання накладається на напругу зміщення), на виході транзистора буде напруга U_з,б-к від джерела постійного струму, яка модулюється напругою вихідного сигналу U_вих. На вході напруга зміщення вмикається у прямому напрямкові, а на виході - у зворотному. Таке включення створює малий опір R_е-б на переході е-б і великий опір R_б-к на переході б-к так, що R_е-б <<R_б-к .

На вході транзистора підключається зовнішній опір R_вх, який за величиною має порядок R_е-б , а на виході - R_вх, причому також R_вих ~ R_{б-к. .} Таке включення зумовлює лінійність підсилення і при цьому R_вих/R_вх>>1.

При підключенні напруги зміщення у переході е-б виникне струм j_e-б , створений вільними електронами емітера та дірками бази. Проте дірковим струмом можна знехтувати, тому що дірок значно менше електронів, як це передбачено конструкцією транзистора: об’єм бази значно менший об’єму емітера. Електрони емітера проходять в область бази, практично не зменшуючись за рахунок рекомбінації з дірками бази, і потрапляють у прискорююче поле напруги зміщення на переході б-к. Таким чином, при зворотному включенні напруги зміщення на переході б-к виникає колекторний струм j_б-к, причому, практично j_б-к = j_e-б = j_е-к, де j_е-к - струм переходу емітер-колектор.

Зробимо оцінку вихідних напруг та потужності у порівнянні з вхідними. За законом Ома

,

але І_вих=І_вх, тому

.

Потужність струму Р=ІU, а тому

.

З цих оцінок видно, що у транзисторі відбувається підсилення вхідного сигналу по напрузі й потужності (див.Мал.242).

21.18.Контрольні питання

1. Статистичний підхід у квантовій механіці.

2. Фазовий простір та функція розподілу станів.

3. Квантові статистики Бозе-Енштейна та Фермі-Дірака.

4. Електронний газ у металах та його виродження.

5. Теплоємність електронного газу.

6. Фонони. Теплоємність кристалів по Дебаю.

7. Квантування енергетичних рівнів вільних електронів у періодичних структурах.

8. Рівні та енергія Фермі.

9. Електрон у періодичному полі кристала, зонна структура енергетичних рівнів.

10. Електропровідність металів.

11. Власна електропровідність напівпровідників, рівень Фермі, поняття дірки.

12. Домішкова електропровідність напівпровідників.

13. Зовнішня та внутрішня контактна різниця потенціалів.

14. Електронно-діркові переходи та їх застосування для випрямлення та підсилення змінного струму.