Биполярные транзисторы

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.

Принцип действия. Основой транзистора является пластинка крем­ния или германия, состоящая из трех областей. Две крайние области обладают проводимостью одного типа, средняя — противоположной про­водимостью. Приборы, у которых средняя часть обладает электронной проводимостью, называются транзисторами типа р-п-р; те же, у кото­рых средняя часть обладает дырочной проводимостью, — транзисторами типа п-р-п. Принцип действия транзисторов обоих типов и физические процессы, происходящие в них, одинаковы. Промышленность выпускает транзисторы типов р-п-р и п-р-п.

Транзистор р-п-р имеет два р-п -перехода П1 (рис. 8, а) и П2, разде­ляющих прибор на три области. Левая часть называется эмиттером, он вырабатывает электрически заряженные частицы (в рассматриваемом случае дырки); средний полупроводник называется базой, а правая часть — коллектором.

Когда транзистор не подключен к внешним источникам электричес­кой энергии, то в его р-п -переходах создаются потенциальные барьеры высотой U_пер (рис.8, б). Через них протекают два небольших тока: ток, обусловленный диффузией через переходы основных носителей (дырок из области р и электронов из области п), и встречный дрейфо­вый ток, созданный неосновными носителями. Эти токи одинаковы, поэ­тому суммарный ток через каждый переход равен нулю.

Если подать на эмиттер положительный, а на коллектор отрицатель­ный потенциал (рис. 9, а) от какого-либо внешнего источника электри­ческой энергии, то через транзистор под действием напряжения U _ЭКбудет проходить очень малый ток, так как прохождению его через прибор будет препятствовать закрытый переход П2 между базой и кол­лектором.

Для того чтобы через прибор проходил достаточно большой ток, необходимо, кроме основного источника электрической энергии с напря­жением U_ЭК, включить между базой и эмиттером дополнительный источ­ник электрической энергии. При подаче напряжений U_ЭБ между эмитте­ром и базой и U_ЭК между эмиттером и коллектором эмиттерный переход П1 смещается в прямом направлении, а коллекторный П2 — в обратном, т. е. потенциальный барьер в переходе П1 уменьшается, а в переходе П 2 возрастает (рис. 9, б).

При подаче напряжения U_ЭБ между эмиттером и базой в цепи эмитте­ра возникает ток и через открытый эмиттерный переход П1 между эмит­тером и базой начинается движение носителей электричества — дырок и электронов. При изготовлении транзисторов специальными технологическими приемами обеспечивается такое распределение примесей в эмит­тере и базе, чтобы число дырок в единице объема эмиттера, обладающего проводимостью типа р, было значительно больше числа электронов в базе, обладающей проводимостью типа п. Удельное сопротивление эмит­тера также делают небольшим. Поэтому прямой ток через эмиттерный переход П1 будет определяться в основном переходом дырок из эмитте­ра в базу (основная составляющая тока эмиттера) и в очень малой до­ле — электронами, переходящими из базы в эмиттер.

При подаче напряжения U_ЭБ. происходит как бы впрыскивание ды­рок в область базы (рис. 10, а), этот процесс носит название инжекции дырок.

Дырки, попав в базу, диффундируют к коллекторному переходу и начинают испытывать воздействие его электрического поля, созданно­го напряжением U_ЭК. Потенциальный барьер между базой и коллектором препятствует прохождению электронов из базы к коллектору. Но для дырок, которые проникли в базу, электрическое поле в переходе П2 является ускоряющим, поэтому они быстро втягиваются в коллектор, резко уменьшая сопротивление коллекторного перехода (рис. 10, б). Таким образом, инжекция дырок в базу способствует снижению потен­циального барьера для этих носителей в переходе П2, т.е. смещает этот переход в прямом направлении.

Рис. 8. Структура электронно-дыроч- рис.9.Схема включения транзистора ных переходов в транзисторе типа р-п-р типа р-п-р /а) и изменение при этом при отсутствии тока {а} и потенциаль- потенциального барьера (6) ный барьер (б)

Некоторая часть дырок, поступающих в базу, рекомбинирует с имеющимися в ней в избытке электронами, в результате чего создается некоторый ток базы. Для уменьшения тока базы ее ширину делают малой, чтобы большая часть дырок успела пройти через нее и достигнуть коллекторного перехода, прежде чем произойдет рекомбинация. Поэ­тому в современных транзисторах почти все дырки, проникающие в базу (90-95%), достигают коллектора.

При работе транзистора типа р-п-р дырки являются основными носи­телями электричества. Они непрерывно поступают от эмиттера к кол­лектору, создавая токи I_Э в цепи эмиттера и I_К в цепи коллектора (рис. 11, б). При этом число дырок, проходящих через коллекторный переход, несколько меньше, чем через эмиттерный, т.е. ток I_К мень­ше I_Э.

Рис. 10. Инжекция дырок в базу (а) и образование тока коллектора (б) в тран­зисторе типа р-п-р

Рис. 11. Обратный ток коллектора транзистора типа р-п-р, вызванный перемещени­ем неосновных носителей (а), и распределение токов, созданных основными но­сителями (б)

Ток базы 1_б состоит из двух составляющих. Одна из них — ток I_п — обусловливается прохождением некоторого числа электронов из базы в эмиттер через эмиттерный переход; другая - ток I_р - создается в резу­льтате рекомбинации дырок с электронами. Обе эти составляющие обра­зуются вследствие того, что в базу вместо перешедших в эмиттер и исчез­нувших при рекомбинации электронов входят от дополнительного источ­ника напряжения U _эб все новые и новые электроны.

Для того чтобы рекомбинация дырок в базе была по возможности меньшей (чтобы ток базы был мал), для изготовления транзисторов применяют полупроводники исключительно высокой чистоты, ширину базы стараются сделать по возможности малой (в последних конструк­циях транзисторов она составляет несколько десятков микрон), чтобы время пробега дырок от эмиттера к коллектору было намного меньше времени жизни носителей; удельное сопротивление базы также делают большим, чем у эмиттера. Это способствует увеличению среднего време­ни жизни дырок в базе и уменьшению потока электронов, идущих от ис­точника эмиттерного напряжения.

Для уменьшения тока I_б концентрацию электронов в базе берут в несколько сотен раз меньшей концентрации дырок в эмиттере.

Чем больше ток в цепи эмиттера, тем больше дырок поступает в область базы, тем ниже сопротивление коллекторного перехода и боль­ший ток проходит по цепи коллектора. Достаточно приложить неболь­шое напряжение между эмиттером и базой (несколько десятых вольта), чтобы открыть дыркам путь через коллекторный переход.

Следовательно, в транзисторе напряжение U _эб или ток 1_б, протекаю­щий в цепи базы, управляет током I_к в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттер-база включить источник слабых сигналов, например микрофон, а в цепь коллектора - нагрузку, напри­мер громкоговоритель, то слабые сигналы, подаваемые на базу транзи­стора, будут усиливаться им и подаваться на нагрузку. На этом принципе основана работа любого транзисторного усилителя.

В транзисторах существует следующее соотношение между токами:

I_Э = I_К + I_б. Практически из-за малого значения тока базы считают, что ток I_К приблизительно равен току I_Э.

Связь между приращениями тока коллектора DI_К и тока эмиттера DI_Э при постоянном напряжении в цепи коллектора (между эмиттером и коллектором U_ЭК или же между базой и коллектором U_БК в зави­симости от схемы включения транзистора) характеризуют коэффи­циентом передачи тока эмиттера а = DI_К /DI_Э. Этот коэффициент всегда меньше единицы, т. е. DI_К несколько меньше DI_Э. В современных тран­зисторах а = 0, 9 ¸ 0, 99. Ток коллектора I_{К =} I_Э+ I_КО.

Отношение приращения тока коллектора DI_К к приращению тока базы DI_Б при постоянном напряжении в цепи коллектора называют коэффициентом передачи тока базы b=DI_К/DI_б. Этот коэффициент составляет от 10-15 до 100-200. Коэффициенты a и b связаны между собой следующими соотношениями:

b=a/(a-1); a=b/(b+1).

Рис. 12- Схема включения транзисторов типов р-п-р (а) и п-р-п (б); Д - источник усиливаемого сигнала; R — нагрузочное сопротивление; Э — эмит­тер; Б - база; К - коллектор; U _Н - напряжение на нагрузке

В транзисторах типа п-р-п механизм управления током коллектора остается тем же, что и для транзистора типа р-п-р. Только основными носителями тока в цепи эмиттера и коллектора будут электроны, а неосновными носителями, обусловливающими ток базы, — дырки. Характеристики таких транзисторов будут несколько иными из-за большей подвижности электронов. Полярность подключения источни­ков питания будет у них противоположной по сравнению с полярно­стью подключения источников питания транзисторов типа р-п-р (рис.12).

Устройство транзисторов. Промышленность выпускает плоскостные транзисторы (кремниевые и германиевые), которые изготавливают различными способами. В сплавных транзисторах в основной кристалл с проводимостью типа п вплавляют капли примесей (индия), образую­щих области с проводимостью типа р. Чтобы значительное число дырок, поступающих в базу Б из эмиттера Э, достигало коллек­торного перехода, необходимо, чтобы расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами было мало, поэтому толщина пластинки полупроводника, образующей базу, берется малой - примерно 0, 025— 0, 05мм. Прибор смонтирован в герметически закрытом корпусе. Один из выводов прикреплен к основанию прибора, два других проходят через основание сквозь стеклянные изоляторы.

В мощных транзисторах области с различной проводи­мостью получают диффузией примесей в основной кристалл. Эмиттер и база в этом случае представляют собой тончайшие (микронные) плен­ки, к которым присоединены контактные кольца. Вся область р-п- переходов покрыта защитной пленкой. Она предохраняет переходы от вред­ного воздействия нагрева самого транзистора.

Основной проблемой в этих транзисторах является уменьшение нагрева прибора, который вызывается потерями энергии в р-п- перехо-дах. При повышении температуры выше допустимой изменяются токи эмиттера и коллектора, что нарушает работу прибора и снижает его коэффициент передачи тока эмиттера. Поэтому в качестве исходного материала при изготовлении мощных транзисторов используют крем­ний, допускающий работу при температурах до 140 °С. Чтобы умень­шить температуру переходов, стремятся увеличить площадь поверх­ности теплоотдачи. К таким приборам прикрепляют специальные охла­дители, имеющие большую поверхность охлаждения.

Выпускают мощные кремниевые транзисторы типа КТ (кремние­вый транзистор) на токи до 100 А и напряжения до 1000 В.