Г. полупроводниковый триод (транзистор)

Транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехо­да.

Основой устройства транзисторов является монокристалл полупро­водника с двумя близко расположенными и взаимодействующими p- n. переходами. При этом чередование областей разнотипной прово­димости монокристалла проводника может быть как p - n - p, так и n - p - n (рис. 2.8).

Наибольшее распространение получили плоскостные транзисторы типа p-n-p (технология изготовления их проще).

Левая область, имеющая меньшие размеры, называется эмиттером (Э), правая - коллектором (К). Область кристалла, находящая­ся между эмиттером и коллектором с проводимостью типа n, называется базой (Б).

Концентрация примесных атомов в каждой их этих областей различна. Наибольшую плотность ОНЗ имеет эмиттер, наименьшую - база. Эмиттер (Э) транзистора подобен катоду вакуумного триода, база (Б) подобна сетке, а коллектор (К) - аноду.

Принято электронно-дырочный переход эмиттер-база называть эмиттерным переходом, а переход база-коллектор - коллекторным.

Природа электронно-дырочных переходов транзистора такая же, как и у диода. Если внешнее напряжение к транзистору не подклю­чено, то на его электронно-дырочных переходах возникают такие же потенциальные барьеры, как и у диода.

Транзистор представляет собой как бы два последовательно соединенных электронно-дырочных перехода. Для транзистора типа р - n - р крайние его части обладают дырочной проводи­мостью, а средняя - электронной. Принцип действия транзистора рассмотрим на примере транзистора типа n - p - n (p - n –p аналогичен), когда к эмиттерному переходу подключен источник Е_э (для германиевых триодов Е_э = 0,1-1 В) в прямом направлении и понижающий потенциальный барьер, а к коллекторно­му переходу источник напряжения Ек (Ек = 5-30 В) в обратном на­правлении и повышающий потенциальный барьер (рис. 2.9).

Как видно их схемы включения, транзистор имеет две электрические цепи: эмиттерную и коллекторную.

Эмиттерная или входная цепь состоит из источника постоян­ного напряжения Еэ, эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении.

Коллекторная или выходная цепь состоит из источника по­стоянного напряжения Ек и коллекторного перехода, включенного в обратном направлении Ек >> Еэ. База и базовый вывод являют­ся общим элементом для входной и выходной цепей транзистора, поэтому рассматриваемая схема включения транзистора называется схемой с общей базой.

В результате подачи внешних напряжений в транзисторе про­исходят следующие физические процессы.

При снижении потенциального барьера эмиттерного перехода диффузия дырок в базу увеличивается. Навстречу дыркам к эмитте­ру устремляются электроны базы. Так возникает эмиттерный ток Iэ, который состоит из дырочной составляющей Iэр и электрон­ной Iэn. Однако, учитывая, что толщина базы ничтожно мала (0,1-1,2 мм) и концентрация электронов в базе примерно на два порядка меньше концентрации дырок в эмиттере, электронная состав­ляющая тока Iэn. мала и им можно пренебречь. Следовательно, ток эмиттера Iэ Iэn определяется дырочной составляющей тока. Войдя в базу, дырки перемещаются в направлении коллектора, так как концентрация их вблизи коллекторного перехода меньше, чем у эмиттерного. Так как толщина базы мала, то лишь ничтожная часть дырок успеет рекомбинировать с электронами базы, обуславли­вая ток базы Iб. Количество рекомбинаций составляет 1-5 % от общего количества инжектированных дырок, поэтому Iб=(1-5)% Iэ.

Пройдя базу, дырки попадают в зону действия электрического поля (Е) коллекторного перехода, включенного в обратном направ­лении, но для дырок являющегося ускоряющим (силовые линии направ­лены от базы к коллектору, т.е. от "+" к "-" источника). Поэто­му дырки перебрасываются в область коллектора, где рекомбинируются с электронами, поступающими от источника Ек.

Появляется ток коллектора Iк, величина которого опреде­ляется количеством переброшенных дырок из базы в коллектор. В соответствии с первым законом Кирхгофа Iэ = Iб + Iк.

Отсюда Iк = Iэ - Iб = (95-99)% Iэ = Iэ, ибо Iб = (1-5) % Iэ, где =0.95-0,99, - коэффициент усиления по току или коэффициент передачи тока эмиттера.

Если во входную цепь транзистора последовательно с источни­ком Еэ подключить источник сигнала в виде переменного напряжения ~Uвх, то на эмиттерный переход будет воздействовать два на­пряжения: Uэб = ~Uвх + Eэ.

Величина потенциального барьера, а, следовательно, и ток будет изменяться по закону изменения сигнала ~Uвх. По этому же закону будет изменяться и выходной ток Iк, ибо Iк = Iэ.

Таким образом, принцип действия транзистора основан на воз­можности управления выходным током посредством изменения вход­ного тока, т.е. транзистор является управляемым прибором.

Поскольку напряжение в цепи коллектора (Ек) в десятки раз больше напряжения в цепи эмиттера (Eэ), а токи практически в этих цепях равны (Iк= Iэ, где близок к единице), то Pвх = Uэб Iэ, а Pвых=Uбк Iэ (Uбк - десятки вольт, а Uэб – доли вольт), то Pвых>>Pвх.

Следовательно, транзистор является усилительным прибором.

Как и электронная лампа с сеточным управлением, транзистор мо­жет быть в открытом и запертом (закрытом) состояниях.

Транзистор считается открытым, если через него протекает токи Iэ, Iб, Iк . Для этого необходимо, чтобы Uбэ < 0 и включено в прямом направлении. Для запирания транзистора необхо­димо эмиттерный и коллекторный p - n переходы включить в об­ратном направлении. В запертом состоянии в цепях электродов тран­зистора проходят обратные токи Iэо, Iбо, Iко.

Таким образом, в отличие от электронных ламп, в которых в запертом состоянии токи в цепях электродов равны нулю, транзис­тор можно запереть только до величины обратных токов через p - n, переходы.

Третий учебный вопрос.