4
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1. Общие сведения
Транзисторы - это полупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. В транзисторах может быть разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя n-p-переходами, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.
Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Устройство плоскостного биполярного транзистора
Транзистор представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n-p-n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области - с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа p-n-p, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.
Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область - эмиттером, другая - коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n-p-перехода: эмиттерный - между эмиттером и базой и коллекторный - между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концент`рация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы.
Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно iб, iэ, iк. Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например напряжение между базой и эмиттером Uб-э, между коллектором и базой Uк-б. На условном графическом обозначении (рис. 5.2) транзисторов p-n-p и n-p-n стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.
Рис. 5.2. Условное графическое обозначение транзисторов
Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.
Активный режим - напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном - обратное.
Режим отсечки (запирания) - обратное напряжение подано на оба перехода.
Режим насыщения - на обоих переходах прямое напряжение.
Основным является активный режим. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.
В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи: входная (управляющая) - в нее включают источник усиливаемых сигналов и выходная (управляемая) - в нее включается нагрузка.
2. Принцип действия n-p-n транзистора
Рассмотрим принцип работы транзистора, на примере n-p-n транзистора в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений E1 и E2 (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Схема включения n-p-n транзистора без нагрузки
Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном - обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение E2 обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 5.3 видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью .
При работе транзистора в активном режиме обычно всегда Uб-э<<Uк-б и, следовательно, Uк-э»Uк-б.
Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т.е. участка база - эмиттер (Uб-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора. Чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение Uб-э, т.е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.
Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения Uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход - ток эмиттера iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Т.к. коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «-». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т.е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.
Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. В установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока iб. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:
Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно iб составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е. , а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать . Именно для того, чтобы ток iб был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.
Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.
Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, т.к. основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т.е. электронов из p-области и дырок из n-области.
Важное свойство транзистора - приблизительно линейная зависимость между его токами, т.е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу.
Подобные же процессы происходят в транзисторе типа p-n-p, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 5.3). В транзисторе типа p-n-p из эмиттера и базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.
Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая приведена на рис. 5.4 для транзистора типа n-p-n. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение Uб-э, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны.
Рис. 5.4. Потенциальная диаграмма работы n-p-n транзистора
Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.
Существенно влияет на работу транзисторов сопротивление базы rб0, т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы iб (ноль в индексе здесь означает, что данная величина относится к постоянному току.) Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер-коллектор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т.е. для тока iк ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы rб0 (его называют поперечным) достигает сотен ом, т.к. в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение Uб_э между выводами базы и эмиттера, т.к. часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления rб0 можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока (рис. 5.5).
Страницы: 1, 2
