1.6 Биполярные транзисторы

Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, имеющий три или более электрода, который служит для усиления и переключения электрических сигналов. Транзисторы используются в качестве активных элементов во многих схемах радиоэлектронной аппаратуры. По принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые.

В работе биполярных транзисторов используются носители обеих полярностей (дырки и электроны).

По сравнению с электронными лампами транзисторы имеют следующие преимущества:

• отсутствует цепь накала и транзисторы имеют мгновенную готовность к работе;

• незначительная потребляемая мощность;

• более высокий КПД;

• отсутствие помех типа «микрофонный эффект» при действии ударов и вибрации;

• большой срок службы;

• небольшие габариты и вес.

Для изготовления транзисторов используются в основном германий (Ge) и кремний (Si), которые доводят до высокой степени чистоты.

Биполярный транзистор – это управляемый полупроводниковый прибор с двумя р-п-переходами и тремя выводами, работа которого основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Плоскостной биполярный транзистор представляет собой пластинку Gе или Si или другого полупроводника в которой созданы три области с различной электропроводимостью: п-р-п или р-п-р. В первом случае средняя область имеет дырочную проводимость и две крайние – электронную. Во втором случае наоборот. Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область эмиттером, а другая – коллектором (рисунок 1.34).

p

p

p

n

n

n

К

К

К

К

Б

Б

Б

Б

Э

Э

Э

Э

Рисунок 1.34 – Структура транзистора n-p-n-типа и p-n-p-типа

Таким образом, в транзисторе имеются два р-п-перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Функция эмиттерного перехода – инжектирование носителей заряда в базу (для транзистора п-р-п-типа это электроны, для транзистора р-п-р-типа это дырки); функция коллекторного перехода – сбор носителей заряда, прошедших через базу.

n

n

Э

К

Б

Рисунок 1.35

Чтобы носители заряда, инжектировались эмиттером и проходя через базу полнее собирались коллектором, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода. Область базы делают очень тонкой, не более единиц мкм (рисунок 1.35). Кроме того, концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере.

Физические принципы работы транзисторов

Рассмотрим работу транзистора р-n-р типа.

В цепь между базой и коллектором транзистора включено в проводящем (прямом) направлении напряжение Е (1…2 В). Вследствие этого потенциальный барьер эмиттерного перехода снизится на величину Е_э: U_эб = φ − Е_э. Действие барьера ослабляется и «дырки», обладающие большими скоростями, могут переходить через p-n переход в базовую область, создавая ток эмиттерного перехода i_э. Этот процесс называется инжекцией дырок.

Одновременно происходит переход электронов из базы в эмиттер. Однако при выборе значительно меньшей концентрации носителей тока в базе, этот встречный поток электронов оказывается намного меньше потока дырок, и обратный ток эмиттера i_{обр мал.}.

Инжектирование в базу дырки в результате диффузии направляются к коллектору за счет перепада плотности дырок по длине базы. Диффузия происходит в течении конечного времени при отсутствии электрического поля.

За время диффузии часть дырок рекомбинирует с электронами, приходящими в базу через базовый вывод от источника Е_э, и образует базовый ток i_Б. В цепь между базой и коллектором включено напряжение Е_к, смещающее коллекторный переход в запирающем (непроводящем) направлении и увеличивающее потенциальный барьер коллекторного перехода. Величину напряжения Е_к выбирают порядка 5…20 В.

Дырки, попавшие в базу из эмиттера и равномерно распределившиеся по объему базы, подхватываются полем коллекторного перехода, которое является для них ускоряющим, и втягиваются в коллектор. Этот процесс называется экстракцией дырок (рисунок 1.36). Эти дырки образуют коллекторный ток i_к. В области контакта коллектора с внешней цепью дырки рекомбинируют с электронами, подходящими из внешней цепи от источника питания Е_к. Цепь тока оказывается замкнутой.

Из рассмотрения процессов видно, что:

i_э = i_б + i_к.

p-n

p-n

Коллектор

База

Эмиттер

Для увеличения коллекторного тока i_к величину базового тока i_Б стремятся сделать как можно меньше. В современных транзисторах удается получить i_Б ≈ (0,05…0,1) i_э путем снижения ширины области базы. Тогда i_к ≈ (0,95…0,9)i_э.

к

х

U_эб = φ - E_э

U_кб = φ + E_к

φ

б

а

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

i_к

Б

К

Э

E_к

i_Б

E_э

i_э

Дырки

Диффузия дырок

Рекомбинация

Инжекция

Диффузия

Экстракция

Рисунок 1.36 – Физические процессы в p-n-р транзисторе:

а – структура транзистора; б – распределение потенциалов.

Отношение коллекторного тока к эмиттерному называется коэффициентом передачи тока транзистора:α = i_к / i_э = 0,95...0,99.

Таким образом, токи в транзисторе связаны следующими соотношениями: I_к = α i_э; I_Б = (1 − α)i_э;

Если в цепь между базой и коллектором ввести переменное напряжение Е_г небольшой величины (Е_г < Е_э), то количество инжектированных дырок, то есть ток i_э будет меняться вследствие изменения высоты потенциального барьера. Если в цепь между коллектором ввести еще сопротивление R_н (смотри рисунок), то изменение эмиттерного тока i_э приведет к изменению коллекторного тока i_к приблизительно в тех же пределах.

Так как сопротивление коллекторной цепи велико (коллекторный переход смещен в обратном направлении), то протекание по этой цепи изменяющегося и значительного по величине тока i_к позволяет получить в усилителе на транзисторе усиление по напряжению и мощности.

Работа транзистора n-p-n типа происходит аналогично работе транзистора p-n-p типа. В этом случае носителями тока являются электроны, и полярность внешних источников напряжений меняется на противоположную.