Общая характеристика процессов

Теоретическая часть.

Общая характеристика процессов.

Полупроводниковый триод – транзистор – это прибор с тремя контактами, позволяющий усиливать и нелинейно преобразовывать электрические сигналы.

Рис. 1. Схематическое изображение конструкций транзисторов:

а) сплавной, типа p‑n‑p;

б) диффузионный, типа n‑p‑n;

в) и г) условные обозначения транзисторов в схемах.

Принципом одного из важнейших типов полупроводниковых триодов является взаимодействие токов двух близко расположенных p-n-переходов. Все одни представляют собой полупроводниковые кристаллы, содержащие две области одного типа проводимости, разделенные областью другого типа проводимости. Каждая область снабжена омическим контактом, к которому подводится внешний провод.

Рассмотрим для определенности структуру типа p‑n‑p. В p-областях проводимость осуществляется основными носителями – дырками и неосновными – электронами, в средней n-области – основными – электронами и неосновными – дырками. Если толщина средней области – базы – мала по сравнению с диффузионной длиной дырок, то проникающие через один p‑n‑переход дырки могут, не успевая прорекомбинировать с электронами, приближаться к другому p‑n‑переходу и участвовать в токе через него. Взаимодействие токов двух переходов будет сильно зависеть от знака и величины приложенных к ним внешних напряжений. В качестве примера рассмотрим германиевый кристалл с двумя внутренними переходами p‑n‑p‑типа. Для этого в пластинку германия n‑типа помещают кусочки индия и расплавляют их. Атомы индия диффундируют внутрь пластинки, создавая с обеих сторон области с проводимостью p‑типа.

Рассмотрим, что произойдет, если между базой (б) и обоими участками p‑типа включить две батареи в противоположных направлениях. Участок p‑типа, к которому подключен источник в прямом направлении, называется эмиттером (э), а участок, к которому подключен источник в обратном направлении, называется коллектором (к). Пусть к одному из p‑n‑переходов – эмиттеру – приложено внешнее напряжение U_э в прямом направлении, т. е. плюс к эмиттерной p‑области, минус к n‑базе (рис. 2). К другому переходу – коллектору – приложено внешнее напряжение U_к, т. е. плюс к n‑базе, минус к коллекторной p‑области (свойства p‑n‑переходов описаны и исследуются в лабораторной работе № __).

Рис. 2. Нормальная схема p‑n‑транзистора при общем для входной и выходной цепи электроде – базе (а). Энергетическая диаграмма p‑n‑переходов и соответствующие инжекционные и рекомбинационные потоки носителей заряда (б).

При такой полярности напряжения потенциальный барьер в эмиттерном переходе понижен, и дырки из эмиттера могут переходить в базу, сопротивление эмиттера поэтому невелико (r_э). Дырки из коллекторной p‑области не могут переходить в базу, так как потенциальный барьер в коллекторном переходе велик, сопротивление этого перехода r_к много больше r_э.

Однако для перехода дырок из базы знак коллекторного потенциала соответствует прямому направлению. Поэтому дырки, инжектированные эмиттером в базу, затягиваются коллекторным полем и меняют ток в цепи коллектора. Если рекомбинация инжектированных дырок в n‑области незначительна (этого можно достигнуть, сделав базу достаточно тонкой), то изменение тока коллектора оказывается почти равным изменению тока эмиттера, то есть «коэффициент усиления по току» a » 1. Так как при этом r_к много больше r_э, то в транзисторе возможно усиление сигналов по напряжению (с коэффициентом K_U):

; (1)

здесь R_Н – сопротивление нагрузки в цепи коллектора;

– отношение изменений соответствующих напряжений.

На рисунке 2(б) и 3 показано, как разделяются токи. Часть тока эмиттера переносится дырками – это большая часть тока, определяющая усиление, где R_n и R_p – квазиуровни Ферми для электронов и дырок соответственно. Малая часть ( ), где – коэффициент инжекции – эмиттерного тока переносится электронами, инжектируемыми с базы. Часть дырок , где – коэффициент передачи – большая – проходит к коллектору, меньшая часть рекомбинирует в базе. Часть тока коллектора – большая – определяется дырками, пришедшими с эмиттера, меньшая часть – равновесным током.

Рис. 3. Диаграмма, поясняющая распределение токов в транзисторе: – коэффициент усиления по току; – ток насыщения коллектора.