Биполярные транзисторы. 
Основы электротехники, микроэлектроники и управления в 2 т. Том 2

Транзистор — трехслойный (р-п-р или п-р-п) полупроводниковый прибор с двумя р-п переходами для усиления входного сигнала. Транзистор в электрических цепях постоянного тока является управляемым нелинейным элементом с управляемым током одного направления.

Среди большого разнообразия видов транзисторов наибольшее распространение получили биполярные и полевые транзисторы, которые различаются лишь способом управления током, протекающим через транзистор. В электрических схемах все транзисторы выполняют практически одинаковые функции.

Биполярные транзисторы представляют собой тонкую пластинку слаболегированного германия или кремния с электронной или дырочной проводимостью, на которой методом вплавления или диффузии получены два электроннодырочных перехода.

Биполярные транзисторы (или просто транзисторы) имеют три вывода: коллектор К, базу Б и эмиттер Э (рис 6.6). В зависимости от комбинации р-п перехода транзисторы делятся на два типа: р-п-р и п-р-п.

При соединении полупроводников с различным типом проводимости на границе раздела образуется область, обеднённая носителями тока (запирающий слой). Наличие трёх полупроводников в плоском триоде приводит к образованию двух запирающих слоёв по обе стороны среднего полупроводника (рп1 и pni). Таким образом, полупроводниковый триод в отличие от диодов содержит два электроннодырочных перехода. Он как бы представляет собой два диода, соединённых последовательно навстречу друг другу.

Но нельзя представить себе транзистор как простую совокупность двух обычных полупроводниковых диодов. Дело в.

Рис. 6.6. Схема транзисторов типа р-п-р с прямой (а) и п-р-п с обратной (б) проводимостями и их условные обозначения для р-п-р (в) и для п-р-п (г):

Э- эмиттер; Б — база; К — коллектор; рп, — открытый р-п переход; рп; - закрытый р-п переход.

том, что у транзистора ток, текущий через второй переход, зависит от тока, протекающего через первый переход, в то время как у двух отдельных диодов ток в каждом из них зависит только от величины и полярности приложенного к нему напряжения и совсем не зависит от состояния другого диода.

Устройство германиевого биполярного транзистора типа р-п-р показано на рис. 6.6, а. В кристалл германия с электронной проводимостью с двух сторон вплавлены кусочки индия, образующие области кристалла с дырочной проводимостью. Кристалл с электронной проводимостью имеет неинжектирующий вывод и называется базой транзистора. Область кристалла с дырочной проводимостью с п-р переходом малой площади называется эмиттером, а переход соответственно называется эмиттерным п-р переходом. Область кристалла с дырочной проводимостью и п-р переходом большой площади называется коллектором, а переход называется коллекторным. Условное обозначение транзистора типа р-п-р в электронных схемах показано на рис. 6.6, в.

Биполярный транзистор типа п-р-п (рис. 6.6, б) отличается от транзистора типа р-п-р тем, что основной кристалл, образующий базу транзистора, имеет дырочную проводимость, а благодаря вплавлению или диффузии создаются у поверхности области кристалла, имеющие электронную проводимость. Условное обозначение транзистора типа п-р-п показано на рис. 6.6, г.

Рис. 6.7. Принцип действия транзистора типа р-п-р.

Обе разновидности транзистора отличаются только типом основных носителей заряда и полярностью внешних напряжений. Принцип действия у них один и тот же. Поясним его на примере транзистора типа р-п-р, включение которого в цепь источников питания показано на рис. 6.7.

Для того чтобы полупроводниковый триод начал усиливать, его надо соединить с двумя внешними источниками тока так, чтобы один электронно-дырочный переход был включен в прямом направлении, а второй — в обратном (рис. 6.7.).

Переход, включаемый в прямом направлении, называют эмиттерным, а переход, включаемый в обратном направлении — коллекторным.

Источник ЭДС Е_к выходной цепи транзистора включен между коллектором и базой в непроводящем направлении, поэтому коллекторный п-р переход закрыт и через него проходит только небольшой тепловой ток 1кбо, обусловленный дрейфом через коллекторный переход неосновных носителей зарядов: электронов (-) из коллектора в базу и дырок (+) из базы в коллектор.

Если во входную цепь транзистора включить в прямом направлении источник Е_э, то эмиттерный п-р переход откроется и через него в обоих направлениях пойдут основные носители зарядов: электроны из базы в эмиттер и дырки из эмиттера в базу через открытый рп/ переход.

Поскольку дырки в базе являются неосновными носителями зарядов, а ширина базы меньше диффузионной длины, на которую успевают продвинуться дырки до рекомбинации (нейтрализации) с электронами, то подавляющее большинство дырок, инжектированных из эмиттера в базу, создадут диффузионный ток в направлении к коллекторному п-р переходу и там, попадая в электрическое поле закрытого коллекторного перехода, создадут дрейфовый ток, вызывая резкое увеличение коллекторного тока. В силу закона электрической нейтральности заряды дырок, прошедших из эмиттера через базу в коллектор, будут компенсированы свободными электронами, приходящими в коллектор .из внешней цепи и создающими в ней ток коллектора 1_К.

Электроны, являющиеся основными носителями зарядов в базовой области транзистора, под действием электрического поля источника ЭДС Е_э пройдут через эмиттерный п-р переход и создадут ток базы транзистора 1б.

Одной из характеристик транзистора является коэффициент передачи по току а = 1к/h (при U=const).KaK правило, а = 0,92−0,99.

Если не учитывать очень малый по величине тепловой ток коллектора 1кбо, то можно в соответствии с первым законом Кирхгофа написать:

откуда

или.

Более подробно характеристики транзисторов рассмотрены в гл. 8.