Глава 1.7.

ОДНОПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

1. Устройство и принцип действия ОПТ

Однопереходный транзистор (ОПТ) — это управляемый полу­проводниковый прибор с одним р-п переходом и тремя выво­дами (рис. 1.55, а). Он изготовляется на основе пластины высо­коомного кремния я-типа. От пластины с помощью невыпрям­ляющих контактов делается два вывода. Между этими контак­

тами путем введения акцепторной примеси в пластине создается небольшая p-область и образуется р-п переход. Область р-типа является эмиттерной, а участки исходной пластины л-типа от р-п перехода в обе стороны до невыпрямляющих контактов — базовыми областями. Выводы от базовых областей называют первой базой Б\ и второй базой />2, а от эмиттерной области — эмиттером Э. ОПТ могут иметь и противоположную структуру: базовые области р-типа, эмиттерную — л-типа.

Условные графические обозначения однопереходных транзи­сторов с базами л-типа и р-типа на электрических схемах пока­заны на рис. 1.55, б, в. Более широкое распространение получили ОПТ с базами л-типа из-за того, что у них основными носителями заряда являются электроны, имеющие большую подвижность, чем дырки.

Рассмотрим принцип действия однопереходного транзистора.

Рис. 1.55. Структура однопереход­ного транзистора (а) и его услов­ное графическое обозначение на р

схемах (б, в) ^

J>2

Рис. 1.56. Схема включения одно­переходного транзистора (а) и ил­люстрация процессов в его струк- _а туре (б)

Б,

Если между базами подать от источника Е_б постоянное напря­жение порядка 10—30 В плюсом к базе Б₂ (рис. 1.56, а), а на эмиттер не подавать напряжение, то межбазовое напряжение (У₆|б2 распределится вдоль пластины по линейному закону. Через пластину от Б₂ к Б\ потечет небольшой ток второй базы 1_б2, так как межбазовое сопротивление г_бб высокоомной кремниевой пластины велико (4—12 кОм). При этом межбазовое напряжение делится между областями первой и второй базы пропорциональ­но их сопротивлениям или длинам /1 и /₂; чаще всего h < /₂.

99

4*

На сопротивлении первой базы, т. е. на области пластины от края р-п перехода до вывода Б_ь создается внутреннее падение напряжения U₆\ (рис. 1.56,6). Оно составляет определенную часть межбазового напряжения и_б\_б2 и, следовательно, прямо пропорционально ему.

Если от внешнего источника подать напряжение и_э61 на эмит­тер относительно вывода первой базы Бj, то на р-п переходе будет действовать напряжение, равное разности потенциалов p-слоя и n-слоя по обе стороны р-п перехода, т. е. разности внеш­него напряжения на эмиттере и внутреннего падения напряжения на области первой базы: и_эбi — U₆1- Отсюда следует, что при любом отрицательном напряжении на эмиттере, а также при положительном, но по величине меньшем, чем U_6i, на р-п пере­ходе действует обратное напряжение и через эмиттер протекает очень малый ток; ОПТ закрыт.

По мере увеличения положительного напряжения на эмиттере наступает момент, когда оно становится равным внутреннему падению напряжения на первой базе: U-_i6i = U_6l, а обратное напряжение на р-п переходе и обратный ток эмиттера — равны­ми нулю. Это соответствует моменту открывания р-п перехода. Напряжение на эмиттере, равное внутреннему падению напряже­ния на первой базе, называют пороговым напряжением £/_э0: U₃о = U_3б| = U_6l. Очевидно, что пороговое напряжение зависит от межбазового U_6i62, пропорционально которому изменяется

Превышение порогового напряжения приводит к перемене полярности напряжения на р-п переходе с обратной на прямую. Действие прямого напряжения вызывает инжекцию дырок из эмиттера в базу и прохождение через р-п переход прямого тока эмиттера /_э. Дырки, перешедшие через р-п переход, совершают диффузионное и дрейфовое движение в электрическом поле в основном в направлении к выводу первой базы Б\. Инжекция дырок в область первой базы, где они становятся неосновными носителями заряда, уменьшает ее сопротивление. С ростом тока эмиттера сопротивление базы уменьшается.

После открывания р-п перехода сначала ток эмиттера очень мал и растет медленно с увеличением напряжения эмиттера U_a61, поэтому уменьшение сопротивления r_6i еще незначительно. Но постепенно с увеличением Ц,₆1 рост тока эмиттера и инжек­ция дырок в базу становятся все интенсивнее, а уменьшение сопротивления базы — все существеннее.

При некотором критическом значении тока эмиттера накоп­ление дырок в первой базе приводит к резкому снижению ее сопротивления и заметному уменьшению падения напряжения U₆\ на нем. В результате снижается потенциальный барьер на р-п переходе, что способствует дополнительной инжекции дырок в базу и дальнейшему росту тока эмиттера. Процесс нарастает лавинообразно, поэтому дальнейший рост тока эмиттера сопро­вождается уменьшением напряжения между эмиттером и базой. Такой режим соответствует отрицательному дифференциальному сопротивлению прибора и носит название активного режима.

Момент перехода к активному режиму соответствует переходу ОПТ из закрытого состояния в открытое, т. е. включению одно­переходного транзистора. Напряжение и ток эмиттера в момент включения называют напряжением включения U_BKJl и током вклю­чения /_вкл. Ток включения ОПТ составляет обычно единицы мик­роампер, а напряжение включения пропорционально межбазово- му напряжению.

Процессы, происходящие в однопереходном транзисторе в ак­тивном режиме, сложнее рассмотренных. Дело в том, что рост тока эмиттера и снижение напряжения U_t\ влияют не только на процессы в эмиттерном переходе и в области первой базы, но и на ток в межбазовой цепи. Поскольку инжекция дырок в первую базу уменьшает ее сопротивление, то уменьшается и общее сопротивление между невыпрямляющими контактами Б\ и Б%. Это в свою очередь увеличивает ток /₆2 в пластине между £2 и Б\ и падение напряжения в области второй базы. Следствие этого — дополнительное снижение напряжения £Лн, еще большее повышение прямого напряжения на р-п переходе и еще больший рост тока эмиттера при одновременном уменьшении эмиттерного напряжения.

Когда произойдет насыщение слоя первой базы дырками, его сопротивление перестанет уменьшаться; дальнейший рост тока эмиттера будет происходить при условии повышения при­ложенного к нему напряжения. Этот режим называют режимом насыщения. В режиме насыщения однопереходный транзистор находится в открытом состоянии. Он работает как диод в пря­мом направлении и имеет положительное сопротивление; рост тока эмиттера /_э происходит при увеличении напряжения эмит­тера U₃61- Сопротивление эмиттер — база в открытом состоянии мало и составляет десятки ом, ток эмиттера сравнительно ве­лик — десятки миллиампер, а напряжение между эмиттером и базой невелико — единицы вольт.