Карточка № 16.66 (240).

Полупроводниковые диоды

§16.7. Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляют два взаимодействующих электронно-дырочных перехода и который имеет три вывода или более.

Рис. 16.18. Схематическое изображение транзистора типа р-п-р: 1 — кристалл германия типа п, 2 области типа р, 3 вплавленные пластинки индия, 4 контактное кольцо базы; Э — эмиттерный вывод, К коллекторный вывод, Б вывод базы (стрелками показано движение дырок)

Биполярный транзистор является аналогом лампового триода, он способен выполнять усилительные, генераторные и ключевые функции.

Устройство биполярного транзистора, изготовленного методом сплавления, схематически представлено на рис. 16.18. В пластинку германия 1, легированного донорной примесью (с электронной электропроводностью), вплавлены две таблетки трехвалентного индия 3 (акцептор).

В объеме германия возле пластинок индия образуются две области с дырочной электропроводностью 2, разделенные тонким слоем базовой пластины. У границ, разделяющих р- области и базу, образуются два электронно-дырочных перехода. Переход, изображенный на рисунке слева, называется эмиттерным, справа — коллекторным. Эмиттерный, коллекторный переходы и база имеют выводы для включения прибора в электрическую цепь (э, к, б).

Толщина базового слоя, разделяющего эмиттерный и коллекторный переходы, на рисунке значительно преувеличена. Для того чтобы переходы взаимодействовали, толщина базовой прослойки между ними должна быть меньше диффузионной длины носителей заряда (т. е. меньше расстояния, которое проходят носители заряда до рекомбинации). У современных приборов толщина базы имеет порядок единиц микрометров. Кроме того, концентрацию легирующей примеси базы делают на два-три порядка меньше концентрации примесей в эмиттерной и коллекторной областях.

Материалы, методы получения р-n-переходов, параметры и конструктивное оформление современных транзисторов весьма разнообразны. Мы рассмотрели сплавной германиевый транзистор, у которого тип электропроводности областей меняется в следующем порядке: р (эмиттер), п (база), р (коллектор). Такой прибор называют транзистором типа р-п-р. Он может быть изготовлен и на основе кремния n-типа.

Если в качестве базы использовать германий или кремний р-типа, а эмиттерный и коллекторный переходы образовать с помощью донорных материалов, то получим транзистор типа п-р-n. Такие транзисторы применяют в высокочастотных схемах.

Принцип действия транзисторов обоих типов одинаков. Разница в том, что полярность вклрчения источников питания для них противоположна, (рис. 16.19). В соответствии с этим в транзисторе типа р-п-р коллекторный ток создается движением дырок, а в транзисторе типа п-р-п

— движением электронов.

Рассмотрим принцип действия транзистора типа р-п-р (рис. 16.19, а).

Разомкнем цепь эмиттера, а коллектор оставим под напряжением указанной полярности. Коллекторный переход, как видно из рисунка, находится под обратным напряжением, при этом через него протекает небольшой ток, образованный движением неосновных носителей. Этот начальный ток у германиевых транзисторов составляет десятки, а у кремниевых — единицы микроампер.

Замкнем цепь эмиттера. Эмиттерный переход окажется под прямым напряжением. Через него потечет прямой ток, образованный диффузией дырок в базу и диффузией электронов в эмиттер. Ранее было отмечено, что концентрация электронов в базе значительно меньше, чем концентрация дырок в эмиттере, поэтому ток через переход практически создается

эмиттированием дырок в базу

Рис 16.19 Включение

источников питания транзистора а типа р-

п-р б типа п-р-n

Так как толщина базы невелика, то дырки пройдут ее без рекомбинации и диффундируют в область коллектора, где, перемещаясь под действием коллекторного напряжения, создадут коллекторный ток.

Небольшая часть дырок, рекомбинировавших в базе, а также электроны, диффундирующие из базы в эмиттер, создадут небольшой ток базы, примерно на два порядка меньший токов эмиттера и коллектора.

Таким образом, коллекторный ток и пропорциональное ему напряжение на Rн почти полностью определяются количеством эмиттированных дырок, т. е. током эмиттера.

Отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе называется коэффициентом усиления по току α= Iк/ Iэ

при Uк =const.

Коэффициент усиления по току тем выше, чем больше эмиттированных дырок диффундирует через коллекторный переход. Конструкция транзистора обеспечивает экстракцию (улавливание) коллектором до 99% дырок, эмиттированных в базу.

В рассмотренной схеме включения коэффициент усиления транзистора по току меньше единицы (0,95—0,99). Схема может быть использована для усиления сигнала по напряжению или мощности. Действительно, несмотря на то что токи эмиттера и коллектора примерно равны, напряжение в цепи коллектора, а следовательно, и мощность могут в десятки раз превышать напряжение и мощность в цепи эмиттера. Отметим, что названия «эмиттер» (инжектор, излучатель носителей заряда), «коллектор» (собиратель носителей) и «база» отвечают функциональному назначению этих частей биполярного транзистора.

Рис. 16.20. Условные обозначения биполярных транзисторов: а— типа

р-п-р; б— типа п-р-п

Рассматривая последовательность слоев биполярного транзистора, нетрудно убедиться, что

впринципе работоспособность прибора сохранится, если эмиттер и коллектор поменять местами.

Однако инверсное включение неравноценно нормальному вследствие несимметричности конструкции (см. рис. 16.18) транзистора.

Так как размеры эмиттера меньше размеров коллектора, то при инверсном включении эмиттер не сможет уловить значительную часть носителей заряда, инжектированных коллектором

вбазу. Кроме того, из-за малых размеров эмиттер, используемый в роли кол лектора, будет

быстрее нагреваться. При неправильном включении триода эффективность его работы заметно снизится.

Итак, включать транзистор в схему следует в строгом соответствии с обозначением его выводов согласно типу транзистора.

Независимо от типа транзистора (р-п-р или п-р-п) применяют три основные схемы его включения: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.

Схема включения транзистора с общей базой изображена на рис. 16.21.

Коэффициентом усиления сигнала назовем отношение его приращения на выходе к приращению на входе

включенного по схеме с общей базой. Значения Rвхб лежат в пределах от единиц до десятков ом.

Рис 16.23. Включение транзистора по схеме с

общим коллектором

На рис. 16.23 изображена схема включения транзистора с общим коллектором. Для этой

Коллекторный переход источником ЭДС Ек смещен в обратном направлении, поэтому приращение напряжения входного сигнала Uвх будет действовать не через переход база — коллектор, а через переход эмиттер — база и сопротивление нагрузки Rн. Имея в виду, что сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении, мало, им можно пренебречь и считать, что Uвх≈ΔIэRн. Поэтому

Таким образом, транзистор с общим коллектором практически не меняет значения напряжения сигнала. Его называют эмиттерным повторителем. Подбирая Rн, входное сопротивление эмиттерного повторителя можно сделать достаточно большим.

Приведенные соотношения позволяют найти все рассмотренные параметры любой из трех схем, если из опыта определены или рассчитаны всего два параметра: α и Rвхб .

Подчеркивая аналогию между биполярным транзистором и ламповым триодом, следует отметить и их существенное различие: ламповый триод может работать (и обычно работает) без тока в цепи уравляющей сетки, в управляющей же цепи транзистора (в цепи базы) всегда протекает ток.

Чем больше входное сопротивление схемы, тем меньше ток в управляющей цепи.

(Ответьте на карп № 16.7б)