Транзисторы. 
Физические и цифровые основы компьютера

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с чередующейся проводимостью и снабженный тремя выводами для подключения к внешней цепи.

Рис. 6. Структура и обозначение биполярных транзисторов разных типов

Обозначения: Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как видно из рисунка, в каждой из этих структур существуют два p-n перехода — эмиттерный и коллекторный.

При изготовлении транзисторов обязательны два условия:

Толщина базы должна быть меньше длины свободного пробега носителей заряда (1 — 10 микрон);

Концентрация основных носителей в эмиттере должна значительно превышать концентрацию основных носителей в базе.

Наиболее распространена схема включения транзистора — с общим эмиттером. При отсутствии напряжения (Е_Б=Е_К=0) токи через эмиттерный и коллекторный переходы равны 0.

Рис. 7. Включение биполярного транзистора по схеме «с общим эмиттером»

Полярность внешних источников Е_Б и Е_К выбирается так, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение, а на коллекторном — обратное. Обозначим через U_КБ, U_КЭ, U_БЭ напряжения между коллектором и базой, коллектором и эмиттером, базой и эмиттером, соответственно. Тогда в зависимости от соотношения их абсолютных величин возможны три режима работы транзистора.

Активный режим работы — используется в усилителях и реализуется при условии |U_КЭ|>|U_БЭ|. При этом I_К=вI_Б, где в — статический коэффициент передачи тока (в=10 — 100).

Режим насыщения — осуществляется при 0<|И_КЭ|?|И_БЭ|. Тогда И_КБ=И_КЭ-И_БЭ<0, т. е., к коллекторному переходу приложено прямое напряжение. В этом случае напряжения между электродами очень малы, что можно интерпретировать как короткое замыкание между всеми электродами. Этот режим используется в электронных ключах и соответствует положению «ключ замкнут».

Режим отсечки — реализуется смещением эмиттерного перехода в обратном направлении. Например, если поменять полярность источника Е_Б, то тогда I_К? I_КБО? 0, что соответствует положению «ключ разомкнут». Ток I_КБО — это обратный ток неосновных носителей через коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение.

Вольт — амперная характеристики биполярных транзисторов.

Выходная или коллекторная характеристика (при I_Б=const)

Рис. 8. Пример выходной характеристики биполярного транзистора

Пологий участок верхней части кривых соответствует активному режиму работы транзистора. Его небольшой наклон обусловлен тем, что при увеличении U_КЭ происходит расширение коллекторного p-n перехода и уменьшается толщина базы, что приводит к увеличению коллекторного тока. Резкое увеличение I_К в конце пологого участка связано с лавинным размножением носителей в коллекторном переходе.

Режим насыщения (точка В) 0КЭ?U_{КЭ, Н}? 0,2 — 1 В.

Режим отсечки (точка А) I_К? I_КБО? 0 .

При работе электронного ключа (вентиля) на основе транзистора переключение из одного состояния в другое происходит скачком с незначительными потерями мощности, что позволяет использовать их для создания логических элементов.

Входная характеристика (при U_КЭ=const)

Рис. 9. Пример входной характеристики биполярного транзистора

В случае U_КЭ=0 оба перехода работают при прямом напряжении, токи коллектора и эмиттера суммируются в базе.

При U_КЭ>U_КЭ,_н — режим усиления.

Токи в транзисторах сильно зависят от температуры прибора. Например, при росте температуры значение I_КБО удваивается каждые 8−10^оС, а значение в при этом увеличивается почти на 10%. Как уже было сказано выше, при значительном увеличении температуры возможен тепловой пробой и физическое разрушение транзистора. Поэтому стабильная работа устройств на основе транзисторов предполагает наличие принудительного охлаждения Обозначения биполярных транзисторов.

Обозначения биполярных транзисторов отечественного производства расшифровываются довольно просто.

Первая буква в обозначении — К или Г — означает материал, на основе которого сделан прибор (кремний или германий).

Вторая буква (Т) — тип прибора — транзистор; затем следует номер серии. Пример — КТ — 315.

Недостатком биполярных транзисторов является то, что они управляются током, т. е. потребляют заметную мощность от входной цепи и поэтому их нельзя подключить к маломощным источникам входного сигнала. Этот недостаток отсутствует у полевых транзисторов.

Полевые транзисторы: В отличие от биполярных транзисторов, управляемых входным током, полевые транзисторы управляются входным напряжением (электрическим полем). Существует два типа полевых транзисторов: а) с p-n переходом; б) МДП типа. Обозначение полевых транзисторов и структура полевого транзистора с p-n переходом приведены ниже.

Рис. 10. Обозначение (a, б) и устройство (в) полевых транзисторов с p-n переходом

Средний слой такого транзистора называется каналом, который имеет два вывода во внешнюю цепь: сток и исток. Внешние слои транзистора соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором. Управляющее напряжение U_ЗИ прикладывается между затвором и истоком.

Принцип действия полевого транзистора с p-n переходом заключается в том, что изменение величины управляющего напряжения меняет сопротивление канала (из-за увеличения области p-n перехода, особенно в районе стока), причем с увеличением U_ЗИ ток стока I_C уменьшается вплоть до 0.

Рис. 11. Пример выходной характеристики полевого транзистора

МДП (металл — диэлектрик — полупроводник) транзистор изготавливается по планарной (тонкопленочной) технологии.

Рис. 12. Структура МДП транзистора и каналом n-типа

Выводы МДП-транзистора обозначаются аналогичным образом. Основой транзистора с каналом n-типа является подложка из полупроводника p-типа, на поверхности которой из полупроводника n-типа созданы две области и перемычка между ними, выполняющая функцию канала. В отличие от рассмотренного выше типа полевого транзистора, к затвору МДПтранзистора может прикладываться как положительное, так и отрицательное напряжение. В первом случае происходит уменьшение сопротивления канала и рост I_C, а во втором — увеличение сопротивления канала и, соответственно, уменьшение тока I_C. Вид кривых I_C(U_CИ) аналогичен приведенным выше.