Будова, принцип роботи, характеристика та застосування транзисторів

2. Будова, принцип роботи, характеристика та застосування транзисторів

 

Транзистор - це напівпровідниковий прилад призначений для підсилення, генерування електричних сигналів, комутації електричних кіл.

Щоб краще зрозуміти принцип роботи цього приладу уявімо собі напівпровідник у якого є два p-n переходи (рис. 11). Якщо відстань між цими p-n переходами є великою, тобто коли при подоланні цієї відстані електрони і дірки встигають рекомбінувати, то в такому випадку матимемо справу з зустрічним з’єднанням двох напівпровідникових діодів.

Рис. 11. Напівпровідник з двома р-п переходами

Для того щоб більшість дірок під час руху від одного переходу до іншого не встигли рекомбінувати, необхідно відстань між межами переходів зробити якомога меншою

Увімкнемо такий напівпровідник, відстань між p-n переходами якого є мінімальною, у схему, зображену на рис. 2. Як видно з схеми, перший (лівий) р-п перехід увімкнуто в прямому напрямку, а другий (правий) - у зворотному. Почнемо тепер поступово збільшувати напругу джерела живлення G1, задавши напругу джерела G2 як деяку сталу величину. У початковий момент, коли напруга джерела G1 є дуже малою (менше 0,1В), струм через перший перехід не протікатиме, оскільки електричне поле цього джерела менше електричного поля атомів донорів і акцепторів першого (лівого за схемою) р-п переходу. Струм через другий р-п перехід також не протікатиме, оскільки цей перехід увімкнуто в зворотному (непровідному) напрямку.

Рис. 12. Вмикання кристала напівпровідника з двома переходами в електричне коло

Коли напругу джерела G1 збільшувати, то при величині напруги на р-п переході в 0,15-0,25В почне протікати електричний струм. Природа цього струму, в основному, є дірковою, оскільки концентрація дірок у матеріалі Р₁напівпровідника набагато вища концентрації електронів у середній n-області (рис. 12). З початком протікання струму через р-п перехід напівпровідника виникає дуже цікаве явище.

Ми вже зазначали, що область бази транзистора має малу товщину і носії струму, потрапивши сюди, попадають під вплив відносно високої напруги колектора. Завдяки цьому вони набирають великих швидкостей, що дозволяє їм долати опір ввімкненого у зворотному напрямі колекторного переходу.

Отже, дірки притягує електричне поле правої частини напівпровідника Р₂(адже ця частина приєднана до негативного виводу джерела живлення G2).

Подальше збільшення напруги джерела G2 призводить до зростання діркового струму через перший, а, отже й через другий р-п переходи. Таким чином у колі джерела живлення G2 виникає струм, величину якого можна регулювати джерелом G1. Область Р₁ напівпровідника називають емітером (ця область емітує, тобто випускає, віддає дірки), область n- напівпровідника – базою, а область Р₂- колектором (ця область начебто збирає, колекціонує дірки). Якби на базі напівпровідника взагалі не проходила рекомбінація дірок, то струм у другому, колекторному, переході був би рівний струмові емітерного переходу. Але ж оскільки частина дірок все таки рекомбінує, то можна вважати, що колекторний струм пропорційний струму емітера:

У цій формулі α - коефіцієнт пропорційності, який вказує на ту частку дірок, що пройшли через емітерний перехід і досягли колектора. Чим більший коефіцієнт α, тим кращі властивості цього напівпровідника, який і називається транзистором. Напрям струмів через транзистор даного, типу (структура р-п-р) показано на рис.3. Оскільки струм емітера напівпровідника розгалужується на два – струм бази І_б та струм колектора І_к, то, очевидно, що сума двох останніх повинна дорівнювати струму емітера:

Рис. 13. Структурна схема напівпровідникового транзистора

підставивши, з першої формули, значення І_к, матимемо:

Звідси:

 або ж

Величина струму емітера, а значить і струму колектора, перебувають у безпосередній залежності від величини струму бази. Зазначимо, що величина коефіцієнту α завжди більша 0,9, а в деяких транзисторах ця величина сягає 0,998. Це значить, що з тисячі дірок, що пройшли в область бази через емітерний перехід, 998 попадає в область колектора, і лише дві встигають рекомбінувати.

Таким чином, змінюючи величину базового струму, можна змінювати й величину струму емітера, а головно й величину струму колектора. При цьому чим більше значення коефіцієнту α , тим ефективніше це регулювання. Так, наприклад, при величині коефіцієнту α рівному 0,95, щоб створити силу струму емітера в 10 мА, величина струму бази повинна становити 0,5 мА, тобто бути в 20 разів меншою:

У цьому випадку колекторний струм рівний 9,5 мА:

 

Якщо ж узяти транзистор у якого коефіцієнт α=0,99, то для створення того ж самого струму емітера, величина струму бази становитиме усього 0,1 мА. При цьому величина струму колектора дорівнюватиме 9,9 мА. Іншими словами, такий транзистор підсилює струм від 0,1 мА до 9,9 мА, тобто в 99 раз. Отже, підсилювальні властивості транзистора якраз полягають у тому, що при незначній зміні величини струму бази, значно зростає величина струму колектора.

Не менш важливим параметром транзистора, який характеризує його електричні властивості, є вхідний та вихідний опір. Цей параметр має особливе значення для узгодження каскадів підсилення.

В практиці побудови каскадів радіоелектронної апаратури, найбільш часто використовуваною схемою ввімкнення транзистора є так звана схема з спільним емітером (рис.4, а). Як видно із схеми, емітер транзистора з’єднано з загальною шиною. Це означає, що вхідний сигнал, який можна подати на цей каскад, поступає на базу транзистора, натомість вихідний – знімають з його колектора. Дана схема ввімкнення транзистора забезпечує підсилення за струмом та напругою; вона характеризується відносно малим вхідним та великим вихідним опором.

Якщо транзистор ввімкнено у схему з спільною базою (СБ), то вхідний сигнал подають на емітер та загальну шину; вихідний же - знімають між колектором та цією ж загальною шиною (рис.4, б). Дана схема ввімкнення транзистора забезпечує підсилення лише за напругою. Як і в попередньому випадку, схема ввімкнення транзистора з спільною базою характеризується малим вхідним та великим вихідним опором.

Якщо транзистор ввімкнено у схему із спільним колектором СК (рис.4, в), то вхідний сигнал на таку схему подають між базою транзистора та загальною шиною, до якої через опір навантаження приєднано емітер транзистора; знімають вихідний сигнал між емітером та загальною шиною. Дана схема (її називають ще емітер ним повторювачем) забезпечує значний коефіцієнт підсилення лише за струмом; характеризується вона великим вхідним та малим вихідним опором.

Аналіз схем ввімкнення транзистора дозволяє зробити висновок про те, що керуючим переходом транзистора є перехід база-емітер; керованим є коло у яке ввімкнені емітер та колектор даного транзистора.

Використані джерела:

1. Будіщев М.С. Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка. -Львів: «Афіша», 2001, 424 с.

2. Харченко В.М. Основы электроники. - М.: Энергоиздат, 1982.

3. Основы промышленной электроники. / Под. ред. В.Г. Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986.

4. Гершунский Б.С., Ранский Е.Г. Лабораторный практикум по основам электронной и полупроводниковой техники. - М.: Высшая школа, 1979

5. Ефимчук М.К., Шушкевич С.С. Основы радиоелектроники: Учебник-Минск.: Университетское, 1986. -302 с.

6. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/ А.А.Зайцев, А.И.Миркин и др. - М.: Радио и связь, 1989.-640 с.

7. Радіотехніка. Енциклопедичний навчальний довідник/За ред. Ю.Мазора та ін. - К. Вища школа, 1999. - 838 с.

8. Данько В.Г., Мілих В.І., Черкасов А.К., Болюх В.Ф. Електротехні-ка. -Київ: НМК ВО, 1990, 264 с.

9. Малинівський С.І. Загальна електротехніка. -Львів, 2001, 596 с.

10. Чабан В.Й. Загальна електротехніка. -Львів, 1998, 340 с.