Транзисторы

ТРАНЗИСТОРЫ

 

1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Транзистором называется преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, предназначенный для усиления мощности электрического сигнала.

Наиболее распространенные получили биполярные и полевые транзисторы. Первые имеют два р-n перехода. В формировании их тока участвуют носители заряда обеих полярностей (знаков), что и объясняет наименование «биполярные». В полевых транзисторах ток формируется носителями одной полярности – электронами или дырками. Поэтому полевые транзисторы достаточно часто называют униполярными. Их рассмотрение будет приведено дальше.

Схематическое изображение структуры биполярных транзисторов приведено на рисунке 2.1,а.

Рисунок 2.1. Возможные структуры и уловное изображение биполярного транзистора.

Последовательное соединение полупроводника с электронной и дырочной проводимостью, которое необходимо для формирования двух р-п переходов в одном приборе, приводит к образованию либо п-р-п, либо р-п-р структуры. В соответствии с ними биполярные транзисторы бывают либо п-р-п, либо р-п-р типа. Центральная область (а также вывод от нее) называется базой (Б), крайние, имеющие иной тип проводимости по сравнению с базой, - коллектором (К) и эмиттером (Э). К каждой из областей припаяны выводы, при помощи которых прибор включается в схему.

Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным. Конструктивно транзисторы различаются в зависимости от мощности и метода образования р-n переходов. Физические процессы, протекающие в транзисторах обоих типов, аналогичны.

В первом приближении транзистор может быть представлен двумя диодами, с соединенными вместе анодами или катодами ((рисунок 2.1,б)). Такое представление является достаточным при рассмотрении режимов работы при двух полностью открытых или закрытых переходах. В графическом условном изображении транзистора (рисунок 2.1,в) сохранилось, в виде стрелки, обозначение прямого направления эмиттерного п-р перехода.

Для того чтобы транзистор мог эффективно выполнять свои функции, необходимо чтобы:

-   расстояние между переходами было меньше длины свободного пробега неосновных носителей полупроводникового материала базы;

-   концентрация примесей в области базы должна быть существенно ниже (на несколько порядков), чем концентрация примесей в области эмиттера.

Для выполнения первого условия область базы делают тонкой, В некоторых типах транзисторов поле коллекторного перехода простирается вплоть до эмиттерного. Выполнение второго условия обеспечивается технологией изготовления прибора.

В большинстве случаев кристалл с переходами монтируется в специальный корпус, который выполняет следующие функции:

§  изолирует кристалл с переходами от воздействия внешней среды;

§  обеспечивает механическую прочность прибора, отвод тепла, выделяющегося на переходах при работе прибора, а также удобство монтажа прибора.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:

Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим является основным режимом работы транзистора при работе с аналоговыми сигналами.

Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Транзистор в режиме отсечки оказывается запертым.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепи транзистора максимален и практическая не регулируется током входной цени. В этом режиме транзистор полностью открыт.

Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному – прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими ролями – эмиттер выполняет функции коллектора, а коллектор – функции эмиттера. Этот режим, как правило, не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора.

Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме рассмотрим на примере транзистора n-р-n типа. Для этого на эмиттерный переход подадим прямое напряжение (U_бэ), а на коллекторный – обратное (U_кб, рисунок 2.2)

Рисунок 2.2.

Для отпирания р-п перехода требуется незначительное напряжение, поэтому величина U_бэ небольшая, в то время как обратное напряжение на коллекторном переходе может быть существенно больше. Ток, проходящий через эмиттерный переход, получил название эмиттерного тока. Этот ток равен сумме дырочной и электронной составляющих

, (2.1)

 

І_Эп – составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией электронов из области эмиттера;

І_Бр – составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией дырок из области базы.

В транзисторах, как было сказано выше, концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число электронов, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число дырок, движущихся в противоположном направлении. Следовательно, почти весь ток через эмиттерный переход обусловлен электронами:

. (2.2)

Инжектированные через эмиттерный переход электроны проникают вглубь базы, частично рекомбинируют и оставшаяся часть достигает коллекторного перехода.

Электрическое поле этого перехода переносят электроны в область коллектора.

Ток, возникший в коллекторной цепи:

. (2.3)

Последнее упрощение в (2.3) сделано на основе того, что число рекомбинаций незначительно, т.к. база узка и имеет мало примесей. Таким образом, практически весь ток, возникший в цепи эмиттера, переносится в цепь коллектора. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение, подведенное к эмиттерному переходу, а токи в цепях эмиттера и коллектора практически равны, следует ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы (в коллекторной цепи) может оказаться намного больше, чем во входной (эмиттерной) цепи транзистора.

Реально ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора, т. е.

, (2.4)

где ток базы обусловлен двумя составляющими

, (2.5)

Если под воздействием U_бэ ток эмиттера возрастет на некоторую величину, то соответственно возрастут и остальные токи транзистора

. (2.6)

Для характеристики соотношений между приращениями токов электродов вводят так называемые коэффициенты передачи токов эмиттера (α) и коллектора (b) при неизменном напряжений на коллекторном переходе:

. (2.7)

На практике часто этими коэффициентами определяют и соотношения токов электродов на линейном участке их зависимости:

. (2.8)

Между введенными коэффициентами существует соотношение:

 

. (2.9)

Обычно α = 0,95 ... 0,995.

Чем больше коэффициент α, тем меньше отличаются между собой токи коллектора и эмиттера, тем более эффективно могут быть использованы усилительные свойства транзистора. Учитывая приведенные значения α, становится очевидным, что β >> 1.

Поскольку в цепи коллектора кроме тока, обусловленного прохождением тока эмиттера, протекает также обратный ток коллекторного перехода I_кбо, то полный ток коллектора

(2.10)

Учитывая, что ток I_кбо по величине незначителен,

(2.11)

Зная величины напряжений, вызвавших изменения соответствующих токов можно определить дифференциальное сопротивление эмиттерного, коллекторного переходов и сопротивление области базы:

. (2.12)