Глава 1.4. Биполярные транзисторы

1. Устройство и принцип действия транзисторов

Биполярным транзистором, или просто транзистором, назы­вают полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-п переходами и тремя выводами. Он имеет трехслойную струк­туру, состоящую из чередующихся областей с различными типа­ми электропроводности: р-п-р или п-р-п (рис. 1.24).

Работа биполярного транзистора зависит от носителей заря­да Обеих полярностей — электронов и дырок; отсюда его назва­ние «биполярный».

Основным элементом транзистора является кристалл кремния или германия с созданными в нем двумя плоскостными р-п пе­реходами. Структура такого кристалла р-п-р-типа, изготовленного по сплавной технологии, показана на рис. 1.25, а. Пластина полу­проводника n-типа с заранее введенной в небольшом количестве донорной примесью является базовой. На нее наплавляются с двух сторон таблетки акцепторной примеси: для германия — ин­дий, для кремния — алюминий. В процессе термической обработ­

ки атомы акцепторной примеси проникают в кристалл, создавая p-области. Между p-областями и полупроводником n-типа обра­зуются р-п переходы. Процесс введения примесей контролирует­ся таким образом, чтобы в одной p-области была большая их концентрация (на рисунке — в левой p-области), чем в другой. Наименьшая концентрация примеси остается в средней области п-типа.

Наружная область с наибольшей концентрацией примеси на­зывается эмиттером, вторая наружная область — коллектором, а внутренняя область — базой. Электронно-дырочный переход меж­ду эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а между коллектором и базой — коллекторным переходом.

Э /—ч Н

Рис. 1.25. Структура (а) и конструк­ция (б) сплавного транзистора: / — дно корпуса; 2 — крышка кор­пуса; 3 — внешние выводы; 4 — кристалл кремния л-типа; 5,6 — таблетки алюминия; 7 — кристал- лодержатель

В соответствии с концентрацией основных носителей заряда база является высокоомной областью, коллектор — низкоомной, а эмиттер — самой низкоомной. Толщина базы очень мала и сос­тавляет единицы микрометров. Площадь коллекторного перехода в несколько раз превышает площадь эмиттерного. Пример кон­струкции маломощного германиевого транзистора дан на рис. 1.25,6.

Применение транзистора для усиления электрических коле­баний основано на его принципе действия как управляемого электронного прибора.

В схеме включения транзистора (рис. 1.26) к эмиттерному

Рис. 1.24. Трехслойные структуры и условные графические обозначения тран­зисторов типа р-п-р (а) и п-р-п (б)

переходу должно быть приложено прямое напряжение, а к кол­лекторному— обратное. Если на эмиттерном переходе нет на­пряжения, то через коллекторный переход протекает очень не­большой обратный ток /_Кобр. По сравнению с рабочим током им можно пренебречь для упрощения рассуждений и считать, что в коллекторной цепи тока нет, т. е. транзистор закрыт.

Рис. 1.26. Принцип действия транзистора

При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения от источника питания Е_э происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу, где они являются неосновными. Для транзис­тора р-п-р этими носителями заряда являются дырки. Движение дырок в процессе инжекции через эмиттерный переход создает

Инженция База Экстракция

-О О- ⁺ ^пр)

ток эмиттера /*. Дырки, перешедшие в базу, имеют вблизи р-п перехода повышенную концентрацию, что вызывает диффузию их в базе. Толщина базы очень мала, поэтому дырки в процессе диффузии оказываются вблизи коллекторного перехода. Боль­шая их часть не успевает рекомбинировать с электронами базы и втягивается ускоряющим электрическим полем коллекторного перехода в область коллектора. Происходит экстракция дырок под действием обратного напряжения из базы в коллектор. Движение дырок в процессе экстракции из базы в коллектор создает ток коллектора /_к. Незначительная часть инжектируе­мых из эмиттера в базу дырок рекомбинирует в области базы с электронами, количество которых пополняется из внешней цепи от источника Е_э. За счет этого в цепи базы протекает ток базы /_б. Он очень мал из-за небольшой толщины базы и малой кон­центрации основных носителей заряда — электронов. При этих условиях число рекомбинаций, определяющих величину тока ба­зы, невелико.

Ток коллектора управляется током эмиттера: если увеличится ток эмиттера, то практически пропорционально возрастет ток

коллектора. Ток эмиттера может изменяться в больших пределах при малых изменениях прямого напряжения на эмиттерном пе­реходе.

Для иллюстрации основных процессов на рис. 1.27 показаны потоки дырок в транзисторе р-п-р при инжекции их через эмит- терный переход ЭЛ и экстракции через коллекторный переход КП. Дырки для наглядности обозначены белыми знаками «плюс» в черных кружочках, а электроны — окружностями со знаками «минус». Поток инжектируемых дырок разветвляется в базе на основную часть, втягиваемую в коллектор, и незначительную часть, рекомбинирующую с электронами.

Инженция

Энстранция

Т°Е_эО=-

пр)

Рис. 1.27. Иллюстрация процессов в транзисторе с помощью потоков носителей заряда

Кроме того, показаны два процесса, которые по интенсив­ности неизмеримо меньше основных. Первый из них — генера­ция пар носителей заряда в области коллектора, обусловли­вающая его собственную электропроводность и вызывающая прохождение обратного тока коллекторного перехода /_кое_Р. Этот ток создается неосновными носителями заряда, концентрация которых зависит от температуры. Следовательно, обратный ток зависит от температуры; иногда его называют тепловым током. Второй процесс — движение электронов из базы в эмиттер в ре­зультате снижения потенциального барьера при прямом напря­жении на эмиттерном переходе. Однако учитывая, что концентра­ция основных носителей заряда (электронов) в базе на два-три порядка меньше концентрации дырок в эмиттере, можно счи­тать, что электронная составляющая прямого тока через ЭП

очень мала и величину тока эмиттера Д определяет дырочная составляющая. Электроны, перешедшие из базы в эмиттер, ре­комбинируют в нем с дырками.

Уход дырок из коллектора соответствует приходу на их место электронов из внешней цепи от источника питания Е_к. Ре­комбинация электронов с дырками в базе и в эмиттере компен­сируется пополнением их из внешней цепи от источника пита­ния Е₃ и из коллектора за счет обратного тока /_КОб_Р- Пополнение ушедших из эмиттера в базу дырок происходит за счет ухода электронов из эмиттера во внешнюю цепь под действием источ­ника Е_э.

Токи трех электродов транзистора связаны соотношением:

Д = Д -Ь Д-

Ток базы значительно меньше тока коллектора, поэтому для практических расчетов часто считают ток коллектора приб­лиженно равным току эмиттера: Д ^ Д. Отношение Д/Д = а на­зывают статическим коэффициентом передачи тока эмиттера, или коэффициентом передачи постоянного тока.

Принцип действия транзистора п-р-п аналогичен рассмотрен­ному, но носителями заряда, создающими токи через р-п пере­ходы в процессе инжекции и экстракции, являются электроны; полярность источников Е_э и Е_к должна быть изменена на про­тивоположную, соответственно изменятся и направления токов в цепях.

На основании рассмотренных процессов можно сделать вы­вод, что транзистор как управляемый прибор действует за счет создания транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера через базу в коллектор и управления током коллектора путем изменения тока эмиттера. Таким образом, биполярный транзистор управляется током.

Ток эмиттера как прямой ток р-п перехода значительно изменяется при очень малых изменениях напряжения на эмиттер- ном переходе и вызывает, соответственно, большие изменения тока коллектора. На этом основаны усилительные свойства транзистора.

Схема включения транзистора для усиления электрических колебаний содержит две цепи (рис. 1.28): входную и выходную. Входная цепь — в данном случае между эмиттером и базой — является управляющей; в нее последовательно с источником питания Е_э включается источник слабых электрических колеба­ний U_BX~, которые надо усилить. Электрические колебания, по­даваемые во входную цепь, называют управляющим, или усили­ваемым, сигналом. Выходная цепь — между коллектором и ба­зой — является главной цепью; в нее последовательно с источ­ником Е_к включается нагрузка /?„, на которой надо получить уси­

ленный сигнал. Источник усиливаемых колебаний малой мощ­ности дает небольшое переменное напряжение и вызывает из­менения эмиттерного тока; в результате происходят изменения коллекторного тока и напряжения на нагрузке. Поскольку со­противление коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, очень велико, коллекторная цепь является высоко­омной; в нее включается, соответственно, высокоомная нагруз­ка /?„.

Ubx~

Рис. 1.28. Схема включения транзистора для усиления электрических колебаний

При этих условиях изменения тока коллектора Д/_к, практиче­ски равные изменениям тока эмиттера Л/₉, создают в усилителях низкой частоты на большом сопротивлении R_H электрические колебания, мощность которых значительно превышает мощность колебаний в низкоомной входной цепи, т. е. происходит усиление электрических колебаний.