9-3. Транзисторы (полупроводниковые триоды)

Транзисторы (или полупроводниковые триоды) обычно изготовляются из германия и по своему конструктивному выполнению Подразделяются на точечно-контактные и плоскостные. Ограничимся рассмотрением плоскостного транзистора, который представляет собой кристалл германия, содержащий минимум три области с различными типами электропроводности.

Рис. 9-12.

Область полупроводника, в которой электропроводность в основном обусловлена свободными электронами, называется -областью (от слова negative — отрицательный). Она получается путем добавления к германию примесей других элементов (фосфора, сурьмы, мышьяка), атомы которых имеют на один валентный электрон больше, чем атом германия.

Область полупроводника, в которой электропроводность в основном обусловлена дырками, называется -областью (от слова positive — положительный). Она получается путем добавления к германию примесей других элементов (индия, бора, алюминия или галлия), атомы которых имеют на один валентный электрон меньше, чем германий (дыркой называется незаполненная ковалентная связь атомов). Дырка может перемещаться по кристаллической решетке, причем ее перемещение равносильно перемещению положительного заряда, равного по абсолютной величине заряду электрона.

Транзисторы с тремя областями электропроводности бывают двух типов: .

Транзистор типа состоит из двух -областей, отделенных друг от друга тонким слоем (порядка тысячных долей миллиметра) -области (рис. 9-12,а). В триоде типа чередование слоев обратное. Средняя область транзистора называется базой (б) или основанием. Одна крайняя область называется эмиттером другая — коллектором (к).

Детальное рассмотрение явлений в транзисторе требует привлечения современных квантовых представлений и выходит за рамки данной книги.

Ниже проводятся упрощенные пояснения.

Вследствие диффузии положительные заряды (дырки) из р-области направляются в -область, а свободные электроны движутся в обратном направлении. В результате у границ раздела областей (у -переходов) появляются объемные заряды — положительные в -области и отрицательные в -областях (на рис. 9-12, а показаны знаками «+» и «-»). Объемные заряды создают электрические поля, и между -областями появляются разности потенциалов или потенциальные барьеры, которые препятствуют дальнейшей диффузии зарядов. В конечном счете ток через границы раздела -областей прекращается. На рис. 9-12, 6 показано распределение потенциала, которое устанавливается вдоль транзистора, когда он не присоединен к внешней цепи.

Рис. 9-13.

Рассмотрим, что произойдет, если к транзистору подключить два источника постоянной как показано на рис. 9-13, а.

Напряжение — прямое, оно снижает потенциальный барьер между эмиттером и базой. Напряжение — обратное, оно увеличивает потенциальный барьер между базой и коллектором. Получающееся распределение потенциала показано на рис. 9-13, б.

Снижение потенциального барьера между эмиттером и базой облегчает процесс диффузии дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Дырки, попадающие в базу, стремясь равномерно заполнить ее объем, попадают в область база — коллектор и здесь под действием электрического поля увлекаются в коллектор. В результате в цепи коллекюра возникает электрический ток. Он меньше тока эмиттера, так как не все дырки, попавшие в базу, переходят в коллектор. Часть дырок рекомбинирует в базе с электронами. Кроме того, ток эмиттера больше тока коллектора за счет того, что он обусловлен не только диффузией дырок из эмиттера в базу, но и диффузией электронов из базы в эмиттер. Эта последняя составляющая тока эмиттера идет целиком мимо коллектора.

Схема включения транзистора, представленная на рис. 9-13,а, называется схемой с общей базой (так как база входит в цепь эмиттера и в цепь коллектора). Цепь эмиттера называется входной цепью, а коллектора — выходной.

На рис. 9-14 представлено семейство статистических выходных характеристик одного из типов плоскостного транзистора типа , включенного по схеме с общей базой. Выходные характеристики

представляют собой зависимость тока в цепи коллектора от напряжения между базой и коллектором при заданном значении тока эмиттера. Значения написаны около каждой кривой. В линейной части характеристики сопротивление цепи коллектора для приращений тока в коллекторе очень велико (достигает сотен тысяч и миллионов ом). Из тех же характеристик видна почти линейная зависимость тока цепи коллектора от тока цепи эмиттера. Изменяя ток эмиттера, можно пропорционально изменять ток коллектора, причем отношение , которое называется коэффициентом усиления по току, достигает значений 0,8-0,97. Для плоскостных триодов с гремя областями так как часть тока эмиттера ответвляется в базу. В других типах транзисторов коэффициент усиления по току может быть больше единицы.

Рис. 9-14.

Транзистор, включенный по схеме с общей базой, при не может работать как усилитель тока, но он может работать как усилитель напряжения и мощности. Поясним это следующими простыми рассуждениями. Пусть в цепь коллектора последовательно с источником питания включено высокоомное нагрузочное сопротивление (одного порядка с величиной ) и пусть напряжения сигнала Лиэб, подведенное с цепи эмиттера, изменило ток эмиттера на величину Тогда почти на такую же величину изменится ток коллектора Изменение напряжения на нагрузочном сопротивлении будет во много раз больше изменения напряжения сигнала, так как много больше сопротивления цепи эмиттера, работающей в прямом (в проводящем) направлении. По этой же причине приращение мощности будет много больше мощности сигнала Аиэб