Транзисторы

Транзистор - это полупроводниковый  прибор с двумя р - п - переходами. Две крайние области обладают проводимостью одного типа, средняя - противоположной проводимостью. При этом различают транзисторы р - п – р типа и п - р - п типа. Принцип действия транзисторов обоих типов и физические процессы, происходящие в них, одинаковы. 

Полупроводниковый прибор с двумя р-п-переходами получил название транзистор от сокращения английских слов transfer resistor — управляемый резистор. По характеру своей работы он аналогичен трехэлектродной электронной лампе — триоду, поэтому транзистор часто называют полупроводниковом триодом. Применяют транзистор главным образом для усиления электрических сигналов, генерирования электрических колебаний и в качестве бесконтактного ключевого элемента.

Биполярными транзисторами (или просто транзисторами) называют полупроводниковые усилительные приборы с двумя близко расположенными и взаимодействующими между собой n-р-переходами, включенными встречно.

В простейшем случае транзистор представляет собой кристалл полупроводника, в котором имеются две области с одноименной проводимостью, разделенные узкой областью с противоположной проводимостью. Таким образом, транзисторы могут иметь структуру слоев п-р-п- или р-п-р-типа.

На рис. 1.1а приведена конструктивная схема биполярного транзистора со структурой р-п-р-типа, выполненного по методу сплавления: в основание — пластинку полупроводника (например, германия), имеющую n-проводимость, с обеих сторон вплавлен металл (например, индий), обеспечивающий получение слоев с р-проводимостями.

Пластинка-основание  называется базой Б. Нижний и верхний слои принято называть, соответственно, эмиттером Э и коллектором К.

Транзисторы в настоящее время наиболее часто  создают диффузионным или эпитаксиальным способом, ибо при этом получаются более плоские, резко очерченные n-р-переходы.

В частности, на рис. 1.1б приведены схема биполярного транзистора со структурой p-n-p-типа и его графическое изображение, а на рис. 1.1в — схема транзистора п-р-п-типа и его графическое изображение. Работа транзистора со структурой n-p-n-типа, включенного в электрическую цепь (рис. 1.2), происходит следующим образом. Между верхней и нижней областями (коллектором К и эмиттером Э) прикладывается напряжение питания Е_к. При этом вне зависимости от его полярности ток в цепи протекать не будет, так как транзистор представляет собой как бы два включенных навстречу друг другу диода, один из которых оказывается всегда включенным в запирающем направлении.

 

                                   

Рис. 1.1 Устройство биполярного сплавного транзистора (а), плоскостных диффузионных транзисторов (б и в) и их условные графические изображения

 

                          

Для того чтобы  через транзистор протекал ток (при  указанной на рис. 1.2 полярности подключения источника питания Е_к), необходимо или открыть верхний запертый п-р-переход, или в средней p-области, базе, создать избыток электронов, которые беспрепятственно смогут преодолевать верхний n-р-переход под действием приложенного к нему напряжения в положительной полярности.

Рис. 1.2. Схема включения биполярного транзистора в электрическую цепь

                                            

Последнее можно  сделать, подав напряжение Е_б в прямой полярности на нижний n-р-переход, нейтрализовав его запирающее действие. При этом электроны, имеющиеся в нижней n-области, начнут диффундировать в p-область с дырочной проводимостью. Если толщина средней р-области очень мала, то электроны, не успев рекомбинировать с дырками, приблизятся к верхнему n-р-переходу и, будучи захвачены его ускоряющим полем, перейдут в верхнюю n-область, коллектор, и оттуда уйдут в источник питания Е_к.

При этом в  области базы возникнет нескомпенсированный  положительный заряд, для нейтрализации которого из эмиттера снова и снова входят электроны, снова и снова захватываются полем коллекторного перехода и уходят в источник питания. Таким образом, в базовой области одновременно имеются в большом количестве электроны и дырки, которые могут в конце концов рекомбинировать. Для уменьшения рекомбинации толщина базовой области выполняется обычно не более см, в результате чего в базе рекомбинируют примерно 1-2 % электронов, а остальные собираются коллектором.

Таким образом, нижняя область n-проводимостью (эмиттер) эмитирует электроны в среднюю область (базу), откуда они собираются полем верхней области (коллектором).

Переход электронов из эмиттера в базу, а затем — в коллектор  и источник питания — нарушает электрическое равновесие в области эмиттера, вследствие чего возникают силы, стремящиеся это равновесие восстановить. Это приводит к тому, что из внешней цепи взамен ушедших в базу электронов в эмиттерную область снова вводятся электроны, - но уже из источника питания Е_к.

      При достаточно большом напряжении на коллекторе (получаемом за счет батареи Е_к) значение тока в цепи коллектора определяется сопротивлением нагрузки R_к и концентрацией электронов в области базы, которая, в свою очередь, зависит от концентрации электронов проводимости в эмиттерной области и степени нейтрализации электрического поля перехода эмиттер-база, осуществляемой за счет напряжения батареи Е_б. Если напряжение этой батареи равно нулю, то тормозящее поле перехода максимально и в область базы из эмиттера входит очень мало электронов, вследствие чего и ток коллектора мал. Если напряжение батареи в цепи базы достаточно велико, то запирающее поле перехода эмиттер-база полностью скомпенсировано, концентрации электронов в эмиттерной и базовой областях практически равны и ток коллектора достигает максимального значения. При этом ток базы также максимален (и ограничивается сопротивлением R_б), так как чем больше концентрация электронов в базовой области, тем большее число их рекомбинирует с дырками и тем больший ток должен отбираться от батареи E_б для восполнения рекомбинирующих дырок. Однако в правильно сконструированном транзисторе обычно ток базы многократно меньше тока коллектора.

База является управляющим электродом (и действует  как бы аналогично управляющей сетке в вакуумном триоде). Однако это только формальное сходство: в электронной лампе происходит управление напряжением, а в биполярном транзисторе - управление током базы. При изменении напряжения на управляющей сетке в электронной лампе число электронов, эмитируемых катодом, практически неизменно и управляющая сетка играет роль клапана, пропускающего только часть электронного потока.

В транзисторе  дело обстоит иначе: изменить ток  в цепи коллектора можно только изменением концентрации носителей заряда в области базы, что достигается изменением тока, протекающего в цепи эмиттер-база.

Коэффициент усиления транзисторов по току (для  схемы, приводимой на рис. 1.2) определяется выражением:

                   

 

где =I_к/I_э — коэффициент передачи тока из эмиттерной области в коллекторную.

У современных транзисторов 1, вследствие этого коэффициент усиления по току может доходить до нескольких тысяч.

Предельно упрощенно  объяснить процесс усиления тока базы в транзисторе можно так: представим себе, что в некоторый момент времени к цепи база-эмиттер подключен источник напряжения Е_б в прямой полярности — плюс на базу, минус на эмиттер. При этом внешнее напряжение компенсирует запирающее поле n-р-перехода и через него может протекать электрический ток: электроны выходят из минусовой клеммы источника Е_б, входят в область эмиттера, оттуда переходят в область базы и уходят в источник Е_б через его плюсовую клемму. Это чисто формальное объяснение прохождения тока. В действительности же все происходит несколько иначе: как только электрон выходит из источника в провод, ведущий к эмиттеру, он ведет себя уже не только как элементарная частица, передвигающаяся, «дрейфующая» по электрической цепи с некоторой, в общем-то не слишком большой скоростью, но и как электромагнитный волновой пакет. В результате этого, как только электрон входит в элемент электрической цепи, в этом элементе возникает электрическое неравновесие (поскольку появился дополнительный, «лишний» электрон), для восстановления которого из этого элемента цепи должен быть удален, «вытолкнут» электромагнитной волной вошедшего электрона один электрон. И этот процесс происходит поочередно в каждом элементе электрической цепи — по всем проводящим элементам цепи «источник — эмиттер — база — источник» распространяется электромагнитная волна возмущения, которая поочередно нарушает электрическое равновесие в элементах электрической цепи и для восстановления равновесия поочередно выталкивает электрон: из провода в эмиттер, из эмиттера — в базу, из базы — в провод, из провода — в плюсовой электрод источника.

При этом скорость электромагнитной волны зависит  от проводимости элемента цепи, по которому она распространяется: если в металлических проводах (в которых чисто электронная проводимость) волна движется практически со скоростью света, то в эмиттере, имеющем меньшую, но практически чисто электронную проводимость, скорость распространения волны возмущения уменьшается. И становится существенно меньшей в базовой области, имеющей дырочную проводимость. При этом механизм прохождения электрона через базовую область выглядит примерно так: как только в область базы из эмиттера был введен электрон, по всему объему базы начинает распространяться электромагнитная волна возмущения, которая приводит к тому, что из базы в провод, идущий к плюсу источника Е₆ выталкивается «лишний» электрон и, естественно, вместо него в базе возникает дырка. Электрическое равновесие в целом во всем объеме базы таким образом восстановлено, однако при этом в базе (разных, удаленных друг от друга ее областях) одновременно существуют разноименные носители заряда — электрон и дырка — и полное электрическое равновесие в базе может наступить только тогда, когда они соединятся, рекомбинируют. Естественно, что дырка и вновь вошедший в базу электрон начинают двигаться, «диффундировать» навстречу друг другу, и поскольку они пространственно весьма далеко расположены (дырка возникает в зоне контакта базовой области с выводным проводом-электродом, а электрон может войти в базу в любой точке эмиттерного перехода), то проходит некоторое время, пока не произойдет их рекомбинация. При этом рекомбинация умышленно существенно затруднена: конструктивно база имеет очень малую толщину (доли микрометра) при достаточно большой протяженности (единицы-десятки микрометров). Если на верхний, коллекторный, переход от источника питания подается достаточно большое напряжение положительной полярности, то электрон может быть захвачен полем коллектора и уйдет в источник питания. А в базе останется дырка, электрическое равновесие таким образом в базе нарушится и для его восстановления из источника питания, через эмиттер, в базу будет втянут новый электрон, который начнет двигаться к дырке... И может быть захвачен ускоряющим полем коллекторного перехода и уйдет в источник питания... И этот процесс будет повторяется вновь и вновь — пока не произойдет рекомбинация очередного электрона и дырки. То есть одна дырка может спровоцировать вхождение в базу (а затем переход в коллектор) весьма большого (до нескольких тысяч) числа электронов.

Таким образом, если в результате подключения источника Е_б появится некоторый, весьма малый, ток I_б в цепи база—эмиттер, то в цепи эмиттер — коллектор — источник питания Е_к начнет протекать весьма значительный, усиленный в несколько сотен раз ток I_к.

Работа транзистора  со структурой р-п-р-типа отличается от рассмотренной выше работы транзистора со структурой n-p-n-типа тем, что процесс переноса электрического тока осуществляется дырками, и поскольку меняется знак носителей тока, то меняется и полярность питающего напряжения.

Усилительные  свойства транзистора отображаются с помощью семейства вольт-амперных характеристик. Наибольший интерес представляет входная и выходная характеристики транзистора.

Зависимость входного тока от входного напряжения в статическом режиме достаточно точно описывается уравнением:

Под входной  характеристикой понимается зависимость  входного тока I_вх, потребляемого от источника сигнала, от входного напряжения U_вх  при постоянном напряжении U_к на коллекторе:

                                                  

                                                    при

                                                   

где А_о и В_о — некоторые постоянные.

Выходная характеристика — зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе U_к при постоянном входном токе I_к = ₂( U_к), при I_вх = const.

На рис. 1.3а приведена входная статическая характеристика транзистора (включенного в электрическую цепь по схеме, приводимой на рис. 1.2) для двух значений коллекторного напряжения: U_к = 0 и U_к = -5 В. Увеличение напряжения на коллекторе свыше 5 В приводит к незначительному смещению входной характеристики вправо, с которым практически можно не считаться, и для всех напряжений, больших 5 В, можно воспользоваться одной этой характеристикой.

На рис. 1.3 изображено семейство выходных («коллекторных») характеристик этого же германиевого транзистора. Для кремниевых транзисторов характеристики имеют примерно такой же вид.

Описание  свойств транзистора с помощью  входных и выходных статических характеристик не является достаточно полным. Статические характеристики снимаются при сравнительно медленных изменениях напряжений и токов на электродах, поэтому частотная зависимость параметров, вызываемая конечной скоростью перемещения носителей зарядов в транзисторе, не проявляется. Для более полного описания электрических свойств транзисторов применяются методы, основанные на представлении транзистора в виде электрической модели (эквивалентного четырехполюсника).

В полупроводниковой  электронике наиболее часто применяются так называемые h-параметры, связывающие входное напряжение и ток с выходным напряжением и током, действующими в эквивалентном транзистору четырехполюснике (т. е. электрической схеме, имеющей четыре клеммы — полюса) (рис. 1.4):