1.4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Управление током и усиление сигналов в схемах полупроводниковой электроники осуществляют с помощью транзисторов.

Рис. 1.5. Схемные обозначения транзисторов: а — p-n-p-тип; б — n-p-n-тип

Рис. 1.6. Распределение токов (а) и потенциалов (б) в транзисторе p-n-p типа

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. 1.5,а и б показано схемное обозначение двух типов транзисторов p-n-p-типа со слоями p, n и p и n-p-n-типа со слоями n, p 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:

1) толщина базы (расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами) 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 в p-n-p транзисторе).

Рассмотрим принцип действия p-n-p транзистора.

Транзистор включают последовательно с сопротивлением нагрузки в цепь источника коллекторного напряжения . На вход транзистора подается управляющая ЭДС , как показано на рис. 1.6, а. Такое включение транзистора, когда входная и выходная цепи имеют общую точку — эмиттер, является наиболее распространенным и называется включением с общим эмиттером (ОЭ).

При отсутствии напряжений эмиттерный и коллекторный переход находятся в состоянии равновесия, токи через них равны нулю в соответствии с выражением (1.1). 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. штриховой линией.

Полярность внешних источников . выбирается такой, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение (минус источника подан на базу, плюс — на эмиттер), а на коллекторном переходе — обратное напряжение (минус источника — на коллектор, плюс — на эмиттер), причем напряжение (напряжение на коллекторном переходе При таком включении источников распределение потенциалов в транзисторе имеет вид, показанный на рис. 1.6, 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 диффузия (инжек-ция) дырок из эмиттера в базу. Электронной составляющей диффузионного тока через эмиттерный переход можно пренебречь, так как , поскольку выше оговаривалось условие . Таким образом, ток эмиттера . 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, достигает коллекторного перехода, не попадая в центры рекомбинации. Эти дырки захватываются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, так как это поле является ускоряющим для неосновных носителей — дырок в базе -типа. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь, источник При увеличении тока эмиттера на величину ток коллектора возрастет на Вследствие малой вероятности рекомбинации в тонкой базе коэффициент передачи тока эмиттера .

Небольшая часть дырок, инжектированных эмиттером, попадает в центры рекомбинации и исчезает, рекомбинируя с электронами. Заряд этих дырок остается в базе, и для восстановления зарядной нейтральности базы из внешней цепи за счет источника в базу поступают электроны. Поэтому ток базы представляет собой ток рекомбинации .

Помимо указанных основных составляющих тока транзистора надо учесть возможность перехода неосновных 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 перехода, он также называется обратным током коллекторного перехода или тепловым током и обозначается (рис. 1.6, а).

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

Из закона Кирхгофа для токов и выражения (1.2) следует

Выражения (1.2), (1.3) показывают, что токи в транзисторе связаны линейными соотношениями.

Преобразуем (1.2) так, чтобы выявить зависимость коллекторного тока от тока базы. Для этого из (1.3) получим

И подставим это значение в (1.2):

Обозначим коэффициент передачи тока базы , а ток обозначим . Тогда

Если учесть, что мал и , зависимость тока коллектора от тока базы может быть записана и в виде

где — 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. 1.6) источником входного напряжения является , входным током базовый ток . Нагрузка включается в коллекторную цепь. Эмиттер является общей точкой для входной и выходной цепей. Изменяя малый ток базы (входной ток) на значение , тем самым изменяем выходной ток в соответствии с выражением (1.4). При этом изменяется ток и падение напряжения на нагрузке на значение . изменяется мощность, выделяемая на резисторе Таким образом, при изменении малого тока в цепи источника малого напряжения изменяется отдача мощности источником резистор , причем .

При включении транзистора по схеме с общей базой входным током является ток эмиттера, через нагрузку протекает ток коллектора, причем , т. е. выходной ток меньше входного. Изменяя малое напряжение на эмиттерном переходе, можно изменить ток в цепи источника и получить приращение напряжения на нагрузке , т. е. усилить сигнал по напряжению.

Отсутствие усиления по току является недостатком включения с ОБ, из-за которого эта схема применяется в устройствах промышленной электроники весьма редко и в данном курсе не рассматривается.

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