Глава 4. Биполярные транзисторы.

Транзистор (от англ. transfer – переносить и резистор) это электронный полупроводниковый прибор, имеющий три (или более) электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Изобретен в 1948 г. американскими учеными У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. В СССР первые транзисторы разработаны под руководством А.В. Красилова. Обычно выделяют два основных класса транзисторов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.

В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков (и электронов, и дырок).

В полевых транзисторах (называемых также униполярными) протекание тока через кристалл обусловлено движением носителей заряда одного знака (электронов или дырок).

Транзисторы классифицируются по типам и группам в зависимости от физических, эксплуатационных и других параметров.

4.1. Устройство биполярного транзистора

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя или более выводами. Он имеет трехслойную структуру, состоящую из чередующихся областей с различными типами электропроводности: n-p-n или p-n-p. Устройство и условные графические обозначения биполярных транзисторов представлены рис. 4.1.1, а, б. Внешний вид некоторых биполярных транзисторов представлен на рис. 4.1.2.

Рисунок 4.1.1. Устройство и условные графические обозначения биполярных транзисторов: а) : n-p-n – структуры; б) p-n-p – структуры.

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с чередующейся проводимостью и снабженный тремя выводами (электродами) для подключения к внешней цепи. Поскольку до настоящего времени биполярные транзисторы являются наиболее распространенным видом транзисторов, часто их называют просто транзисторами, опуская термин биполярный.

На рис. 4.1.1, а и б показаны схемное обозначение двух типов транзисторов р-n-р-типа со слоями р, n и р и n-р-n- типа со слоями n, р и n. Крайние слои называют эмиттером (Э) и коллектором К), между ними находится база (Б). В трехслойной структуре имеются два электронно-дырочных перехода: эмиттерный переход между эмиттером и базой и коллекторный переход между базой и коллектором. В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний.

При изготовлении транзистора обязательно должны - быть выполнены два условия:

Рисунок 4.1.2. Внешний вид некоторых биполярных транзисторов.

1) толщина базы (расстояние между эмиттерным и коллекторным переходам) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда

2) концентрация примесей (и основных носителей) заряда в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе (N_а >> N_д в р-n-р транзисторе).

Рассмотрим принцип действия р-n-р транзистора. Транзистор включают последовательно с сопротивлением нагрузки R_к в цепь источника коллекторного напряжения Е_к. На вход транзистора подается управляющая ЭДС, как показано на рис. 4.1.3,а, б. Такое включение транзистора, когда входная (Е_Б, R_Б) и выходная (Е_К, R_К) цепи имёют общую точку — эмиттер, является наиболее распространенным и называется включением с общим эмиттером (ОЭ).

При отсутствии напряжений (Е_Б=0, Е_К =0) эмиттерный и коллекторный переход находятся в состоянии равновесия, токи через них равны нулю. Оба перехода имеют двойной электрический слой, состоящий из ионов примесей, и потенциальный барьер , различный на каждом из переходов. Распределение потенциалов в транзисторе при отсутствии напряжений показано на рис.4. 1.3,б штриховой линией.

Полярность внешних источников Е_Б и Ек выбирается такой, чтобы на эмиттером переходе было прямое напряжение (минус источника Е_Б подан на

Рисунок 4.1.3: а) распределение токов, б) распределение потенциалов в транзисторе p-n-p-типа.

базу, плюс — на эмиттер), а на коллекторном переходе — обратное напряжение (минус источника Ек—на коллектор, плюс—на эмиттер), причем напряжение |U_кэ|>|U_бэ| (напряжение на коллекторном переходе

U_кб= U_кэ-U_бэ

При таком включении источников Е_Б и Ек распределение потенциалов в транзисторе имеет вид, показанный на рис. 4.1.3, б сплошной линией. Потенциальный барьер эмиттерного перехода, смещенного в прямом направлении, снижается, на коллекторном переходе потенциальный барьер увеличивается. В результате приложения к эмиттерному переходу прямого напряжения начинается усиленная диффузии (инжекция) дырок из эмиттера в базу. Электронной составляющей диффузионного тока через эмиттерный переход можно пренебречь, так как p_р>>n_n, поскольку выше оговаривалось условие . Таким образом, ток эмиттераI_ЭI_{Э.диф.р.}. Под воздействием сил диффузии в результате перепада концентрации вдоль базы дырки продвигаются от эмиттера к коллектору. Поскольку база в транзисторе выполняется тонкой, основная часть дырок, инжектированных эмиттером, достегает коллекторного перехода, не попадая в центры рекомбинации. Эти дырки захватываются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, так как это поле является ускоряющим для не основных носителей — дырок в базе n-типа. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается черёз внешнюю цепь, источник Е_К. При увеличении тока эмиттера на величину ΔI_Э ток коллектора возрастет на ΔI_К=αΔI_Э. Вследствие малой вероятности рекомбинации в тонкой базе коэффициент передачи тока эмиттера α= ΔI_К/ΔI_Э = 0,9+0,99.

Небольшая часть дырок, инжектированных эмиттером, попадает в центры рекомбинации и исчезает, рекомбинации с электронами. Заряд этих дырок остается в базе, и для восстановления зарядной нейтральности базы из внешней цепи за счет источника Е_Б в базу поступают электроны. Поэтому ток базы представляет собой ток, рекомбинации I_рек=I_Э(1-α).

Помимо указанных основных составляющих тока транзистора надо учесть возможность перехода не основных носителей, возникающих в базе и коллекторе в результате генерации носителей, через коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение. Этот малый ток (переход дырок из базы в коллектор и электронов из коллектора в базу) аналогичен обратному току р-n перехода, он также называется обратным током коллекторного перехода или тепловым током и обозначается I_КБО (рис. 4.1.3,а),

Таким образом, полный коллекторный ток, определяемый движением всех носителей через коллекторный переход:

І_К = αІ_Э+ І_КБО (4.1.1)

Из закона Кирхгофа для токов (I_Б = Iэ—Iк) и выражения (4.1.1) следует

І_Б = ( 1 - α) І_Э – І_КБО (4.1.2)

Выражения (4.1.1), (4.1.2) показывают, что токи в транзисторе связаны линейными соотношениями. Преобразуем (4.1.1) так, чтобы выявить зависимость коллекторного тока от тока базы. Для этого из (1.3) получим:

и подставим это значение в (1.2)

І_Э = (І_Б + І_КБО )/( 1 - α)

І_{К =} І_Б + І_КБО + І_КБО

Обозначим коэффициент передачи тока базы β = ΔІ_К ⁄ΔІ_{Б =} ,

а ток I_КБО (1+обозначимI_КЭО. Тогда

І_К = βІ_Б + (β + 1) І_КБО = βІ_Б + І_КЭО (4.1.3)

Если учесть, что І_КЭО мал и ΔI_К/ΔI_Б≈ I_К/I_Б зависимость тока коллектора от тока базы может быть записана и в виде

I_К=h_21эI_Б (4.1.4)

Где h_21э — статический коэффициент передачи тока транзистора, который приводится в справочниках.

Транзистор является трехполюсником, поэтому источник входного сигнала и нагрузка могут быть подключены к нему различным образом. В наиболее распространенном включении по схеме с общим эмиттером (рис. 4.1.3) источником входного напряжения (U_БЭ является Е_Б, входным током базовый ток I_Б . Нагрузка включается в коллекторную цепь. Эмиттер является общей точкой для входной и выходной цепей. Изменяя малый ток базы (входной ток) на значение ΔI_Б, тем самым изменяем выходной ток Iк в соответствии с выражением (4.1.4). При этом изменяется и падение напряжения на нагрузке на значение ΔІ_КR_К изменяя мощность, выделяемая на резисторе R_К. Таким образом, при изменении малого тока I_Б в цепи источника малого напряжения Е_Б изменяется отдача мощности источником Ек в резистор Rк, причем ΔI_К>>ΔI_Б ; ΔІ_КR_К>>ΔU_ЭБ

Принцип действия транзистора n-р-n-типа аналогичен, лишь направление токов, знаки носителей заряда и полярность приложенных напряжений противоположны тем, которые имеют место в рассмотренном р-n-р транзисторе.