Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления электрических сигналов.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера Э, базыБ и коллектораК (рис. 4.1).

а б

Рис. 4.1 а) структура биполярного транзистора, б) изображение транзистора на схемах.

В биполярном транзисторе реализуются четыре физических процесса:

- инжекция из эмиттера в базу;

- диффузия через базу;

- рекомбинация в базе;

- экстракция из базы в коллектор.

Принцип работы биполярного транзистора основан на взаимодействие двух p-n переходов разделенных тонким слоем полупроводника (базой).

В режиме усиления, эмиттер смещают в прямом направлении, а коллекторный переход в обратном, соответствующие энергетические диаграммы показаны на рис. 4.2.

Рис.4.2. Зонная диаграмма биполярного транзистора: в активном режиме

Приложенное к эмиттеру прямое смещение снижает потенциальный барьер. В p-n-p транзисторе из эмиттера в базу инжектируются дырки, которые через базу диффундируют к коллектору. Для того чтобы основная часть инжектированных эмиттером носителей достигла коллектора, ширина базы W должна быть значительно меньше диффузионной длины L_D.

Выполнение условия W < L_D означает, что основная часть носителей успевает пройти расстояние эмиттер - коллектора W до момента рекомбинации.

Транзистор можно представить как структуру, состоящую из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим n - или p — слоем.

Рис. 4.3 Эквивалентная схема биполярного транзистора

Входные характеристики транзистора представляют собой вольт - амперные характеристики прямосмещенного эмиттерного электронно-дырочного перехода рис.4.4 а.

Выходные характеристики биполярного транзистора — это вольт-амперные характеристики коллекторного электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении рис. 4.4б.

а б

Рис. 4.4 вольт- амперные характеристики· транзитора: а - входные, б — выходные

Например для транзистора рис. 4.4 уровень тока на эмиттере I_э= 5 мА достигается при подаче напряжения 0.1В, тот же уровень коллекторного тока I_к = 5 мА сохраняется на коллекторном переходе при напряжении 10 -50 В. Соответственно, мощность входного сигнала на эмиттере P_вх= I_э·U_э = 0.5 мВт и мощность выходного сигнала на коллекторе P_вых= I_к·U_к = 5мВт. Мощность затраченная во входной эмиттерной цепи на создание тока инжекции меньше мощности, которая выделяется в выходной коллекторной цепи, т.е. имеет место усиление сигнала.

Процесс усиления заключается в управлении сигналом большой мощности с помощью сигнала малой мощности.

Тогда коэффициент усиления транзистора β равен отношению выходной мощности сигнала на коллекторе P_вых к входной мощности на эмиттере P_вх.

где J_к, U_к – ток и напряжение на коллекторе, и J_э , U_э - ток и напряжение на эмиттере.

Ток через транзисторную структуру практически одинаковый J_к ≈ J_э, поэтому коэффициент усиления определяется соотношением напряжений на коллекторе U_к и эмиттере U_э.

Таким образом, входной сигнал U_э изменяет высоту потенциального барьера, модулирует поток неосновных носителей в базу, который определяет коллекторный ток и соответственно усиленный за счет энергии коллекторного источника питания выходной сигнал.