Транзисторы, их устройство и принцип действия в статическом режиме

Особенно широкие возможности применения полупроводников в технике возникли после создания полупроводниковых триодов – транзисторов. Транзистор был изобретён в 1948 г. американскими учёными Бардиным, Браттеном и Шокли.

Появление транзисторов постепенно практически вытеснило из электроники лампы, благодаря своим малым размерам и весу, прочностью, возможностью использовать их для питания источников с малой ЭДС, которые в свою очередь тоже малы по размерам и весу. Технология производства транзисторов гораздо проще чем электронных ламп и, конечно, много дешевле.

С изобретением транзистора началась новая эра микроэлектроники и компьютеризации практически всех сфер человеческой деятельности.

Как и электронные лампы транзисторы могут быть тетродами, пентодами и т.д. Это зависит от числа электродов в конструкции.

Транзисторы-триоды состоят из трех полупроводников p и n-типа. Основными работающими областями являются два p-n-перехода.

На рисунках 56а и 56б показаны схемы устройства плоских транзисторов.

Их два типа: первый тип работает на p-n-p-переходе, второй тип на n-p-n-переходе.

Рис. 56

Средняя область называется базой. Одна крайняя область называется эмиттером, другая – коллектором.

На схемах транзисторы обозначаются как изображено на рисунке 57.

Рис. 57

Таким образом в транзисторе имеются два p-n-перехода: эмиттерный между эмиттером и базой и коллекторный между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым (несколько микрон). Следовательно, база – очень узкая часть транзистора. Кроме того концентрация основных носителей в базе на порядок, а то и на два меньше концентрации основных носителей в эмиттере и коллекторе. От базы, эмиттера и коллектора выводятся металлические электроды, с помощью которых транзистор присоединяется к другим элементам электрической цепи.

Транзистор может работать в трёх режимах в зависимости от напряжения на его переходах. Работа в активном режиме получается, если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное (запирающее).

Если же на обоих переходах напряжение обратное, то это режим отсечки.

При режиме насыщения на обоих переходах напряжение прямое.

Чаще всего применяют активный режим. в активном режиме транзисторы работают в схемах усилителей, генераторов, триггеров. Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора на импульсах тока.

Рис. 58

Рассмотрим работу транзистора p-n-p типа в активном режиме на постоянном токе.

На рисунке 58 изображена соответствующая схема.

Источник тока с ЭДС Е, подаёт на эмиттерный переход прямое напряжение, в то время как коллекторный переход заперт обратным напряжением, поданным на коллекторный переход.

Вследствие этого дырки из эмиттера свободно переходят в базу (прямой ток), а дырки из коллекторного перехода в базу вообще не переходят (тока нет). Переход дырок в базу из эмиттера называется инжекцией дырок.

Поскольку база очень узка, большинство дырок, инжектированных в базу, проходят её, не сталкиваясь с электронами базы. К тому же концентрация свободных электронов в базе много меньше концентрации дырок, пришедших в базу из эмиттера. Входя в коллекторный переход, эти дырки свободно проходят через него в коллектор, так как для них напряжение источника с Е₂ – прямое.

Так образуется ток через транзистор. Носителями этого тока являются дырки.

Небольшая часть дырок, инжектированных в базу из эмиттера, встречаясь с электронами базы, рекомбинируют с ними, что приводит к замещению их электронами, движущимися от источника тока с ЭДС Е₁ по проводнику и создают так называемый ток базы. (I_б)

Ток, протекающий от источника Е₁ через эмиттер называется током эмиттера (I_э), а ток, протекающий через коллектор, называется током коллектора.

На рисунке 59 показано распределение потенциала в p-n-p транзисторе, включённого в выше приведённую схему.

Рис. 59

Примерно также выглядит распределение потенциала дырок. Из графика видно, что потенциальный барьер на границе эмиттер – база невысок и легко преодолим дырками. Потенциальный барьер на границе коллектор – база очень высок и для дырок коллектора непреодолим. Но для дырок, инжектированных в базу из эмиттера, коллекторный переход представляет собой «потенциальную яму», в которую они свободно «скатываются».

Соотношение между эмиттерным, коллекторным токами и током базы следует из первого правила Кирхгофа.

I_э = I_к + I_б

Можно изобразить эквивалентную схему транзистора в активном режиме на постоянном токе, заменив участки транзистора, соответствующем сопротивлением, как это сделано на рисунке 60.

Рис. 10

Здесь r_э – сопротивление эмиттерного перехода, r_к – сопротивление коллекторного перехода, r_б – так называемое сопротивление базы.

Последнее создаётся за счёт рекомбинации части дырок электронами базы.

Сопротивление эмиттера и коллектора по сравнению с сопротивлением соответствующих переходов очень мало, и им можно пренебречь.

Величина r_э порядка нескольких десятков Ом, r_к – очень велико, порядка нескольких килом.

Особый интерес представляет собой сопротивление базы. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т.е. для тока i_к её сопротивление очень мало, и им практически можно пренебречь. А в направлении к выводу базы её сопротивление порядка сотен Ом, так как в прохождении тока участвует небольшое количество рекомбинирующихся электронов и дырок.

Так как почти все дырки, инжектированные в базу, проникают в коллектор, ток в коллекторе отличается от тока эмиттера на очень малую величину, и ток базы очень мал, примерно в 50 – 100 раз меньше, чем эмиттерный и коллекторный токи, и поэтому при расчетах можно положить

I_к = I_э

Если под действием внешних переменных напряжений какой-то из этих трёх токов меняется, то меняется и два других, причём выполняется соотношение:

Аналогичным образом можно описать работу в том же режиме транзистора n-p-n-типа; только в этом случае основными носителями тока являются свободные электроны, инжектируемые из эмиттера в базу.

Дата добавления: 2015-05-06