Принцип действия транзисторов.

Биполярный транзистор содержит два p-n-перехода, образованных на границах трех областей полу­проводника, к которым подключены электрические выводы для присоединения к внешней цепи. В зависимости от вида проводимости от типа проводимости областей различают типы транзисторов: p-n-p или n-p-n, называемых биполярными транзисторами с прямой и обратной проводимостями.

Расположения областей p- и n- проводимостей, а также условные обозначения биполярных транзисторов приведены на рис. 5.

Эмиттер

База

Коллектор

Коллектор

База

Эмиттер

p

p

p

p

p

n

n

n

э

э

к

к

б

б

Рис. 5. Расположение областей проводимости биполярных транзисторов и их условное обозначение: (а) - транзистор типа р-n-р; (б) - транзистор типа n-р-n

Средняя область транзистора называется базой, другие области носят название эмиттер и коллектор. Каждая из областей имеет проволочный вывод для подключения к внешним цепям. База представляет собой весьма тонкий слой пластины полупроводника (10…20 мкм и менее). В отличие от коллекторной и эмиттерной областей в слое базы концентрация примеси очень мала, что является важнейшим условием работы транзистора.

Рис. 6. Принцип действия транзистора типа р-п-р

Пусть к переходу эмиттер-база через ключи K₁ и K₂ подсоединен источник E₁ прямого смещения, обеспечивающий протекание тока через переход, а к переходу коллектор-база через ключи K₂ и K₃ приложено напряжение E₂ источника обратного смещения (рис. 6), причем |E₂|>>|E₁|.

При замыкании только ключей K₁и K₂ (ключ K₃ разомкнут) через эмиттерный переход будет протекать прямой ток I_Э, создаваемый направленным движением основных носителей заряда – электронов базовой и дырок эмиттерной областей (на рисунке кружками условно показаны дырки, а зачерненными кружками - электроны). Токи эмиттера и базы одинаковы (I_Э=I_Б). Если ключ K₁разомкнуть, а ключи K₂и K₃ замкнуть, то через переход коллектор-база потечет очень слабый обратный ток I_К, поскольку переход заперт. Можно видеть, что оба перехода проявляют свойства обычных полупроводниковых диодов, на которые подаются напряжения прямого и обратного направлений.

Если замкнуть все три ключа, то, как и в уже рассмотренном случае, через эмиттерный переход будет протекать прямой ток, вызванный передвижением электронов из области базы в эмиттер и встречным передвижением дырок из эмиттера в базу. При одинаковой концентрации носителей заряда (электронов и дырок) в эмиттере и базе прямой ток перехода эмиттер-база создается движением одинакового количества электронов и дырок во встречных направлениях. Однако концентрация носителей в базе существенно ниже, чем в области эмиттера. Следовательно, практически весь ток через эмиттерный p-n-переход обусловлен перемещением дырок. Попадая в базу, некоторые дырки рекомбинируют с немногочисленными электронами, а остальные проходят через тонкий слой базы и достигают области коллекторного p-n-перехода, где испытывают ускоряющее воздействие электрического поля источника E₂, втягиваются в коллекторную область и принимают участие в образовании тока коллектора I_К= I_Э - I_Б. Поскольку ток базы I_Б невелик вследствие малости числа рекомбинаций, то коллекторный ток определяется только током эмиттера, то есть I_К≈ I_Э.

В транзисторе типа n-p-n используются те же процессы, за исключением того, что в область базы из эмиттера вводятся электроны, а не дырки, полярность источников и направление токов изменяются на обратные.

С помощью транзистора возможно осуществление усиления электрических колебаний благодаря зависимости тока коллектора I_К от напряжения эмиттер-база U_ЭБ. рис. 7 поясняет работу усилителя. В отсутствие переменного напряжения U_ВХ на входе транзистора U_ВХ через эмиттер и коллектор протекает постоянный ток почти одинакового уровня. На сопротивлении нагрузки R_H падает напряжение. U_H=I_KR_H При появлении переменного напряжения U_ВХ через цепь эмиттера начинает протекать пульсирующий ток, форму, фазу и амплитуду которого почти полностью повторяет ток коллектора . Это ток создает на нагрузке переменное напряжение, повторяющее входной сигнал. На выходе усилителя переменная составляющая выходного напряжения U_ВЫХ отделена от напряжения источника Е₂ конденсатором С.

В схемах на транзисторах источник сигнала может быть включен в цепь база или эмиттера, а нагрузка – в цепь коллектора или эмиттера (при этом третий электрод оказывается общим для входной и выходной цепей). В зависимости от того, какой электрод является общим, различают включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим оллектором (ОК) (рис. 8).