СТАВРОПОЛЬСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

Кафедра радиоэлектроники

«УТВЕРЖДАЮ»
НАЧАЛЬНИК КАФЕДРЫ					Экз.№
полковник В.НИКУЛИН
		199г.

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине

Электронные, твердотельные приборы и микроэлектроника

для курсантов

2 –х курсов факультетов 1,2

Тема:

№ 6

Биполярные транзисторы

Лекция

№13

Общее устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Обсуждено на заседании кафедры (ПМК)

199 г.

Протокол №

Ставрополь 1998 г.

Учебные и воспитательные цели:
Время …………………………………………………………………………………...	90 мин.
Учебно-материальное обеспечение
1. Диафильм "Транзисторы" 2. ЛЭТИ
Распределение времени лекции
Вступительная часть …………………………………………………………………...	3 мин.
Проверка готовности курсантов к лекции ……………………………………………	5 мин.
Учебные вопросы лекции 1. Назначение и общее устройство биполярного транзистора 2. Принцип действия биполярного транзистора Заключение ………………………………………………………………………….….	35 мин 41 мин 3 мин.
Задание курсантам для самостоятельной работы ……………………………………	3 мин.

1. Назначение и устройство бт

Термин "транзистор" происходит от английских слов transfer of resistor (преобразователь сопротивления).

"Биполярный" означает, что в этом транзисторе используются подвижные носители электрических зарядов обоих знаков - электроны и дырки.

Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше.

Группа транзисторов объединяет ряд разновидностей этих приборов, среди которых следует выделить два типа наиболее распространенных транзисторов, отличающихся друг от друга принципом действия, основными характеристиками и параметрами. Это - биполярные и полевые транзисторы. Изучаемая тема посвящена биполярным транзисторам.

Основу биполярного транзистора составляет трехслойная полупроводниковая структура с чередующимся типом проводимости областей, созданную в едином кристалле и образующую два электрически взаимодействующих электронно-дырочных перехода.

Рис. 1. Структура и УГО транзистора

Средняя область транзистора называется базой. Крайние — эмиттер и коллектор. Переход, который образуется на границе областей эмиттер-база, называется эмиттерным. Через него осуществляется инжекция носителей из области эмиттера в базу. Переход, образующийся на границе база-коллектор, называется коллекторным. Он собирает (экстрагирует) инжектированные в базу носители и передает их в коллекторную область. Отсюда и происходит название "коллектор", что означает собиратель.

В зависимости от чередования слоев различают транзисторы со структурами p-n-p и n-p-n типа.

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе со структурой n-p-n через базу к коллекторному переходу двигаются электроны, инжектированные эмиттером в базу, а в транзисторе со структурой типа p-n-p - дырки (в лекции в качестве основной использована именно последняя).

На УГО стрелка показывает условное направление тока (от "+" к "-") в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

При использовании транзистора в схемах на его переходы подают внешние напряжения. В зависимости от полярности этих напряжений каждый из переходов может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. Соответственно различают четыре режима работы транзистора:

• - активный - П_э (эмиттерный переход) - включен в прямом направлении;

П_{к -} включен в обратном направлении;

• - насыщения - П_э и П_к в прямом направлении;

• - отсечки - П_э и П_к - включены в обратных направлениях.

• - инверсный - П_э (эмиттерный переход) - включен в обратном направлении;

П_{к -} включен в прямом направлении.

В режимах насыщения и отсечки управление транзистором практически отсутствует.

Активный режим является основным и используется при усилении и генерации сигналов. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.

При проектировании транзистора преследуют цель, чтобы прямой ток эмиттерного перехода практически весь переходил в коллекторную область, то есть чтобы I_к  I_э. Для этого необходимо выполнение следующих основных требований:

1. База должна быть достаточно тонкой, чтобы инжектированные в нее носители могли без значительных потерь из-за рекомбинации достигать коллекторного перехода. Для этого нужно, чтобы ее толщина d_б была много меньше диффузионной длины дырок L_p, то есть чтобы d_б  L_p.

2. Концентрация примеси в эмиттерной области должна быть значительно больше концентрации примеси в области базы. При выполнении этого условия прямой ток эмиттера в основном будет определяться носителями, инжектированными из эмиттера в базу.

3. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода, чтобы носители заряда, инжектируемые в базу, полнее собирались коллектором (см. Рис.3). При одинаковых площадях

эмиттерного и коллекторного переходов транзистор называется симметричным.

Рис.2. Три схемы включения p-n-p транзистора

а) схема с общей базой; б) схема с общим эмиттером в) схема с общим коллектором

Возможны три схемы включения двух источников питания, обеспечивающих необходимые напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах в зависимости от того, какой из электродов транзистора является общей точкой источников питания.

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Возникновение электрического поля связано градиентом концентрации примесей.

Если примесь в базе транзистора распределена равномерно, то инжектированные в базу носители будут двигаться в направлении коллекторного перехода под действием неравномерности (градиента) своей концентрации, которая создается благодаря непрерывной инжекции носителей эмиттерным переходом и непрерывной экстракцией их коллекторным переходом. При таком (диффузионном) способе переноса зарядов через базу отсутствует дрейф носителей, если пренебречь электрическим полем, создаваемым зарядами в базе. Поэтому транзисторы с равномерным распределением примеси в базе получили название бездрейфовых.

Рис.3. Разрез кристалла сплавного германиевого транзистора p-n-p (а) и конструкция маломощного сплавного транзистора (б).

1 - кристалл; 2 - кристаллодержатель; 3 - металлический корпус; 4 - ножка; 5 - изоляторы; 6 - выводы.

Если примесь распределена так, что ее концентрация убывает по направлению к коллектору, то такое же неравномерное распределение будут иметь и основные носители базы (электроны) в состоянии статического равновесия. Наличие градиента концентрации основных носителей вызовет их диффузионное движение к коллекторному переходу и, как следствие, образование возле эмиттера положительного заряда нескомпенсированных доноров, а возле коллектора - отрицательного заряда пришедших электронов. Внутреннее электрическое поле способствует движению в направлении коллектора инжектированных в базу дырок при подаче на эмиттерный переход прямого напряжения. В таком транзисторе диффузионное движение инжектированных в базу дырок будет сочетаться с дрейфовым, что способствует их более быстрому перемещению от эмиттера к коллектору. Транзисторы с неравномерным распределением примеси в базе получили название дрейфовых.

Бездрейфовые транзисторы получают в основном методом вплавления, которое производят с двух сторон кристалла (см. рис.3.). Контакт с базовой областью осуществляется с помощью припаянного кольца, окружающего эмиттерный переход. Кристалл помещается в герметичный корпус. Конструкция маломощного сплавного транзистора показана на рис.3.

Дрейфовые транзисторы обычно изготовляют диффузионным, сплавно-диффузионным и конверсионным методами.( О методах отдельно).

Дрейфовые транзисторы нашли широкое применение особенно при изготовлении интегральных микросхем и на высоких частотах.

Основные свойства транзисторов определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга.

В транзисторных схемах обычно образуются две цепи:

• входная, или управляющая цепь, служащая для управления работой транзистора;

• выходная, или управляемая, в которой образуются усиленные сигналы.

Чтобы рассмотреть работу транзистора в различных режимах, необходимо изучить стационарные потоки носителей в нем, процессы их накопления и рассасывания и многое др.