§ 37. ТРАНЗИСТОР

Устройство транзистора. Транзистор, или полупроводниковый триод, был изобретен сравнительно недавно, в 1951 г. По способу изготовления транзистор очень мало отличается от полупроводникового диода, но возможности его применения в современной электронике оказались несравненно более богатыми. Достаточно сказать, что в современных приборах и устройствах радиоэлектроники и вычислительной техники транзисторы

примерно наполовину заменили вакуумные лампы, так как их применение оказалось более выгодным.

Основой для изготовления транзистора, как и для изготовления полупроводникового диода, служит пластинка монокристалла германия или кремния площадью и толщиной около 100 мкм. Операция изготовления транзистора может быть подобной операции изготовления диода с тем лишь принципиальным отличием, что на кристаллы германия накладывается индий не с одной, а с двух сторон.

Если для изготовления транзистора использован монокристалл германия с электронной проводимостью, то после прогревания его в печи с двух сторон возникают области, обогащенные примесью атомов индия, проникших в германий при расплавлении. Эти области монокристалла германия становятся полупроводниками с дырочной проводимостью, а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникают два -перехода. Средняя область кристалла называется базой транзистора, а две крайние области кристалла, обладающие проводимостью противоположного базе типа, называются коллектором и эмиттером. Эмиттер и коллектор транзистора сплавного типа отличаются лишь размерами: диаметр коллектора примерно в 2 раза больше диаметра эмиттера.

Устройство -транзистора сплавного типа показано на рисунке 76. Транзисторы -типа имеют аналогичное устройство, только материал базы в них обладает дырочной проводимостью, а коллектор и эмиттер — электронной. Условное обозначение транзисторов на схемах представлено на рисунке 77.

Включение транзистора в электрическую цепь. Для приведения в действие на коллектор транзистора типа подают напряжение отрицательной полярности относительно эмиттера. Напряжение

Рис. 76. Устройство сплавного транзистора: 1 — баллон транзистора; 2 — кристалл n — германия (база); 3 — эмиттер; 4 — коллектор; 5 — индиевый электрод; 5 — кристаллодержатель; 7 — стеклянные изоляторы; 8 — вывод эмиттера; 9 — вывод базы; 10 — вывод коллектора

Рис. 77. Условные обозначения транзистора -типа и -типа

Рис. 78. Три способа включения транзистора в электрическую цепь: а — с общей базой; б — с общим эммнтером; в — с общим коллектором

на базе может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к эмиттеру. При использовании транзистора в любой электронной схеме два его электрода служат для введения входного сигнала и два для выведения выходного сигнала. Поскольку транзистор имеет всего три электрода, один из них обязательно используется дважды и оказывается общим для входной и выходной цепи.

Возможны три способа включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором (рис. 78). Иногда вместо термина «общий» пользуются термином «заземленный». Все три способа включения транзистора находят применение в практических схемах.

Активное состояние транзистора. Основным рабочим состоянием транзистора в большинстве электрических схем является такое состояние, при котором к эмиттерному -переходу приложено напряжение в пропускном направлении, а к коллекторному — в запирающем направлении. В транзисторе -типа такое состояние возникает при подаче на базу отрицательного напряжения по абсолютной величине меньшего, чем коллекторное напряжение

Рассмотрим физические процессы, протекающие в транзисторе в активном состоянии. При подаче отрицательного напряжения на базу -транзистора эмиттерный -переход открывается и из эмиттера в базу переходят дырки При изготовлении транзистора добиваются того, чтобы концентрация свободных электронов в базе была на 2—3 порядка меньше концентрации дырок в эмиттере, поэтому встречный поток электронов из базы в эмиттер можно не учитывать.

Поскольку коллекторный переход включен в запирающем направлении, сопротивление его значительно превышает сопротивление материала базы и падение напряжения на базе оказывается пренебрежимо малым. Практически полное отсутствие электрического поля в базе приводит к тому, что дырки, вошедшие в базу из эмиттера, далее перемещаются лишь за счет диффузии, распространяясь из области с высокой концентрацией вблизи эмиттера в область с низкой концентрацией, к коллектору. Так как концентрация

электронов в базе довольно низка, а толщина базы мала, большинство дырок успевает путем диффузии пересечь базу и достигнуть коллекторного -перехода, не встретившись ни с одним из электронов базы.

Положительный объемный заряд дырок, вошедших в базу из эмиттера, привлекает в базу такое количество электронов, основных носителей заряда в базе, которое полностью компенсирует положительный электрический заряд базы. Вхождение электронов в базу через базовый ввод совершается за , т. е. практически одновременно с вхождением дырок из эмиттера. Диффузия дырок в базе сопровождается соответствующим изменением распределения концентрации электронов в базе, так что любой элемент объема базы остается электрически нейтральным.

Однако дальнейшая судьба дырок и электронов, достигших коллекторного перехода, оказывается различной. Все дырки, достигшие коллекторного -перехода, втягиваются его полем и переходят в коллектор. Электроны не могут преодолеть коллекторный -переход, так как для них напряжение в нем включено в запорном направлении.

При постоянном значении отрицательного напряжения на базе убыль дырок в базе за счет перехода их из базы в коллектор компенсируется диффузией равного количества дырок из эмиттера. При этом общее количество дырок в базе остается неизменным, ток электронов через базовый ввод должен отсутствовать. Такая картина наблюдалась бы в транзисторе в том случае, если бы рекомбинация дырок в базе совершенно не происходила.

В действительности же небольшая доля диффундирующих дырок (1—5%) встречает на своем пути через базу электроны и рекомбинирует. На место рекомбинировавших дырок в базу входит равное количество новых дырок из эмиттера. Убыль числа электронов в базе за счет рекомбинации восполняется вхождением электронов через базовый ввод. Таким образом, ток, протекающий через эмиттерный вывод транзистора в активном состоянии оказывается равным сумме токов, протекающих через его коллекторный и базовый выводы:

Соотношение между токами коллектора и базы в транзисторе в активном состоянии определяется условиями диффузии и рекомбинации дырок в базе. Эти условия сильно зависят от типов использованных для изготовления транзистора материалов и конструкции его электродов, но очень слабо зависят от коллекторного и базового напряжений, сопротивлений, емкостей и индуктивностей, включенных в цепи базы, эмиттера и коллектора. В связи с этим транзистор можно рассматривать как устройство, распределяющее ток, протекающий через один из его электродов — эмиттер, в заданном соотношении между двумя другими электродами — базой и коллектором. Схема распределения тока в транзисторе в активном состоянии представлена на рисунке 79.

Рис. 79. Распределение токов в транзисторе в активном состоянии

Усилительные свойства транзистора. Способность транзистора распределять ток эмиттера в заданном соотношении между коллектором и базой может быть использована для усиления электрических сигналов. Отношение изменения тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при постоянном напряжении на коллекторе для каждого транзистора есть величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока

Для транзисторов различных типов значение этого коэффициента лежит в пределах от 15—20 до 200—300. Следовательно, вызывая каким-то способом изменения тока в цепи базы транзистора, можно получить в десятки и даже в сотни раз большие изменения тока в цепи коллектора.

Используя параметр 6, связь между током коллектора и током базы можно приближенно записать в виде

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы равно отношению изменения выходного тока к изменению входного тока . Это отношение называется коэффициентом усиления транзистора по току

Усиление электрических сигналов по току, напряжению и мощности не является обязательным свойством транзистора.

Так, при включении транзистора по схеме с общим эмиттером поступающий на его вход сигнал может быть усилен по

Рис. 80. Транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером

напряжению при включении в цепь коллектора сопротивления значение которого должно быть рассчитано для каждого конкретного случая (рис. 80).

Включение нагрузочного сопротивления в цепь коллектора в схеме с общим эмиттером приводит к зависимости напряжения на коллекторе от коллекторного тока Если напряжение источника питания Е поддерживается постоянным, то эта зависимость оказывается линейной. Действительно, при любом значении тока коллектора напряжение на коллекторе определится как разность между напряжением на выходе источника питания Е и падением напряжения на сопротивлении

Изменение тока коллектора на некоторую величину приводит к изменению напряжения между выходными клеммам» транзистора на величину

Отношение этого изменения напряжения на выходных клеммах транзистора к вызвавшему его изменению напряжения на входе называется коэффициентом усиления каскада по напряжению: