Материал: Физические основы электроники

3.БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.1.Структура и основные режимы работы

Биполярный транзистор (обычно его называют просто транзистором) – это полупроводниковый прибор с двумя или более взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов.

Транзистор (полупроводниковый триод) был создан американскими учеными Дж. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли в 1948 г. Это событие имело громадное значение для полупроводниковой электроники. Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые триоды, и не являются простыми заменителями последних, а их можно использовать, помимо усиления и генерирования сигналов переменного тока, в качестве ключевых элементов. Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда, как электроны, так и дырки.

Структура биполярного транзистора изображена на рис. 3.1. Он представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами электропроводности. На границах этих областей возникают электронно-дырочные переходы. От каждой области полупроводника сделаны токоотводы (омические контакты). Среднюю область транзистора, расположенную между электроннодырочными переходами, называют базой (Б). Примыкающие к базе области обычно делают неодинаковыми. Одну из областей делают так, чтобы из нее наиболее эффективно проходила инжекция носителей заряда в базу, а другую – так, чтобы p–n-переход между базой и этой областью наилучшим образом собирал инжектированные в базу носители заряда, т. е. осуществлял экстракцию носителей заряда из базы.

ЭП КП p n p

Б

Рис. 3.1. Схематическое изображение структуры биполярного транзистора

81

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей заряда в базу, называют эмиттером (Э), а p–n-пере- ход между базой и эмиттером – эмиттерным (ЭП). Область транзистора, основным назначением которой является собирание, экстракция носителей заряда из базы, называют коллектором (К), а p–n-переход между базой и коллектором – коллекторным (КП). В зависимости от типа электропроводности крайних слоев (эмиттера и коллектора) различают транзисторы p–n–p- и n–p–n-типа. В обоих типах транзисторов физические процессы аналогичны, они различаются только типом инжектируемых и экстрагируемых носителей и имеют одинаково широкое применение.

На принципиальных электрических схемах транзисторы изображают условными графическими обозначениями, представленными на рис. 3.2.

Конструктивно биполярные транзисторы оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах (рис. 3.3, а).

Б Б

а б

Рис. 3.2. Условные обозначения транзисторов:

а – транзистор p–n–p-типа; б – транзистор n–p–n-типа

б

Рис. 3.3. Общий вид (а) и конструктивное оформление одного из биполярных транзисторов (б)

82

При работе транзистора к его электродам прикладываются напряжения от внешних источников питания. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, каждый из p–n-переходов может быть смещен в прямом или в обратном направлении; исходя из этого, возможны четыре режима работы транзистора (табл. 3.1).

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое и он инжектирует носители в базу, а на коллекторном переходе напряжение обратное и он собирает носители из базы, то такое включение транзистора называют

нормальным, а транзистор работает в активном (усилительном) режиме.

Врежиме насыщения оба p–n-перехода включены в прямом направлении, переходы насыщены подвижными носителями заряда, их сопротивления малы.

Врежиме отсечки оба p–n-перехода включены в обратном направлении. В электродах транзистора протекают тепловые токи обратно включенных переходов.

Если же на коллекторном переходе напряжение прямое и он инжектирует носители в базу, а на эмиттерном переходе напряжение обратное и он осуществляет экстракцию носителей из базы, то такое

включение транзистора называют инверсным, а транзистор работает в инверсном режиме.

При инверсном включении транзистора необходимо учитывать следующие особенности:

1.Поскольку эмиттерный переход по площади меньше, чем коллекторный, то из того количества носителей, которые инжектируются коллекторным переходом, меньшее количество собирается эмиттерным переходом, что снижает величину тока этого перехода.

2.Это приводит к изменению заряда носителей в базе и, следовательно, к изменению барьерной емкости переходов, т. е. к изменению частотных свойств транзистора.

83

3.При меньшей площади эмиттерного перехода необходимо снижать величину его тока, чтобы оставить прежней температуру нагрева полупроводниковой структуры.

3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе

Физические процессы в биполярном транзисторе при усилении электрических сигналов рассмотрим на примере рис. 3.4.

Рис. 3.4. Движение носителей заряда и токи

вбиполярном транзисторе

Ктранзистору подключают два источника ЭДС: E1 – ЭДС источника входного сигнала и E2 – ЭДС источника питания (мощного источника). ЭДС E1 подключается так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а ЭДС E2 должна смещать коллекторный

переход в обратном направлении. Тогда, при отсутствии тока в цепи источника входного сигнала (во входной цепи транзистора), нет тока и в цепи источника питания (в выходной цепи). Строго говоря, в выходной цепи будет протекать очень маленький ток – обратный ток закрытого коллекторного перехода Iкбо , но им ввиду его малости можно прене-

бречь. Если же во входной цепи транзистора создать под действием источника E1 какой-то ток Iэ, то дырки, являющиеся основными носите-

лями в р-области эмиттера, будут инжектироваться в область базы, где они становятся уже неосновными носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрического поля коллекторного перехода, будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены через границу раздела в область коллектора (область р-типа), где дырки уже являются основными носителями. Таким образом, в цепи источника питания появится ток – ток коллекто-

84

ра Iк , который, протекая по сопротивлению нагрузки Rн , создает там падение напряжения

которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяет все изменения входного сигнала.

Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу, достигают коллекторного перехода; часть из них рекомбинирует в базе по пути движения от эмиттерного перехода к коллекторному – ток Iб. рек .

Поэтому ток коллектора Iк принципиально меньше тока эмиттера Iэ. Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:

Чтобы увеличить коэффициент передачи по току, область базы делают тонкой, чтобы меньшее количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы. Таким образом, удается достичь величины коэффициента передачи по току α 0,95 0,99 и более.

Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет (α 1), все же коэффициент передачи по мощности может быть значительно больше единицы за счет большого усиления по напряжению. Ведь даже при малой величине коллекторного тока Iк падение напря-

жения на сопротивлении нагрузки IкRк может быть значительным за

счет большой величины напряжения источника питания.

Отметим, что в транзисторах n–p–n-типа все описанные процессы протекают точно так же, но полярность источников E1 и E2 должна

быть противоположной, а из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны, и электроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи источника E2 .

Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала в транзисторе происходит изменение ширины базового слоя W , т. к. под действием внешних источников E1 и E2 толщина p–n-переходов

изменяется; в условиях малой ширины базового слоя происходит ее модуляция (данное явление получило название эффект Эрли). Это приводит к ряду особенностей:

1.Чем тоньше становится база, тем меньшее количество инжектированных носителей будет рекомбинировать в ней и, следовательно,

85