Полупроводниковые транзисторы. Типы, конструкция, принципы работы, ВАХ, применение.

Биполярные транзисторы

Работа биполярных транзисторов основана на явлениях взаимодей­ствия двух близко расположенных р-п переходов. Различают плоскост­ные и точечные биполярные транзисторы. Переходы в точечных бипо­лярных транзисторах имеют малую площадь и аналогичны по конструк­ции переходам в точечных диодах. Такие транзисторы не получили су­щественного распространения.

Плоскостной биполярный транзистор представляет собой трехслой­ную структуру типа п-р-п (рис. 14) и типа р-п-р. На рис. 15, а и б даны условные изображения этих транзисторов. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движе­нием носителей зарядов обоих знаков (свободных дырок и электронов).

Средний слой биполярного транзистора называется базой Б, один крайний слой — коллектором К, а другой крайний слой — эмитте­ром Э. Каждый слой имеет вывод, при помощи которого транзистор включается в цепь. В зависимости от полярности напряжения между выводами биполярного транзистора он работает в различных режимах.

Рис. 14

Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

1) активный режим, в котором переход эмиттер-база включен в пря­мом направлении, а переход коллектор-база - в обратном;

2) инверсный режим, в котором переход эмиттер-база включен в обратном направлении, а переход коллектор-база - в прямом;

3) режим отсечки, в котором оба перехода включены в обратном направлении;

4) режим насыщения, в котором оба перехода включены в прямом направлении.

В схемах, в которых транзистор применяется для усиления сигналов, основным является его активный режим работы. При подключении положительного полюса источника постоянной ЭДС Е_Э= -U_ЭБ к базе потенциальный барьер р-n перехода (п-р-п транзистор на рис. 14) между базой и эмиттером понижается. Свободные электроны диф­фундируют (инжектируются) из эмиттера в базу, образуя ток I_Э в цепи эмиттера. Если между коллектором и базой включен источник постоянной ЭДС Е_К=U_КБ отрицательным полюсом к базе, то увеличи­вается потенциальный барьер р-п перехода между базой и коллек­тором. Большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, втягивается сильным электрическим полем с напряженностью ξ _КБ этого р-п перехода, образуя ток I_К в цепи коллектора. Заметим, что электрическое поле в переходе коллектор—база существует и при разомкнутой ветви с источником ЭДС Е_К (см. рис. 4). Поэтому ток коллектора от значения напряжения U_КБ ≥ 0 зависит мало. Не­значительная часть свободных электронов, инжектированных из эмит­тера в базу, образует ток I_Б в цепи базы.

Рис. 15

В рассмотренном случае база является общим электродом входной и выходной цепей. Такая схема включения биполярного транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Для усиления сигнала при­меняются также схемы включения биполярных транзисторов с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Последнюю рассмот­рим более подробно, так как она наиболее распространена (рис. 16).

Рис. 16

Работу биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, опре­деляют статическими коллекторами I_К(U_КЭ)_IБ = const (рис. 17, а) и базовыми I_Б(U_БЭ)_UКЭ = const (рис. 17, б) характеристиками. Область рабочих режимов транзистора на его коллекторных характери­стиках ограничена максимально допустимыми значениями тока I_Кmax, напряжения U_Кэmax и мощности рассеяния P_{рас max} ≈ U_КЭI_К, а также нелинейными искажениями при малых значениях тока коллек­тора.

Рис. 17

Основное достоинство биполярных транзисторов — высокое быстро­действие при достаточно больших токах коллектора. Наличие внешних теплоотводов позволяет работать биполярным транзисторам при мощ­ности рассеяния до 50 Вт и токах до 10 А. Основной недостаток - от­носительно небольшие сопротивление входной цепи биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (1—10 кОм), и плотность раз­мещения при производстве интегральных микросхем.

Полевые транзисторы

Различают полевые транзисторы с управляющим р-п переходом и на основе конструкции металл-диэлектрик-полупроводник или МДП -транзисторы.

А. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом. Рассмот­рим принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п пере­ходом (рис. 18).

Между двумя электродами, называемыми истоком И и стоком С. расположен n -канал из полупроводника n -типа. Если между истоком и стоком включен источник с ЭДС Е_С положительным полюсом к стоку, то в n -канале есть ток проводимости (1), значение которого зависит от сопротивления канала. В свою очередь сопротивление n -канала зависит от его ширины, которую в полевых транзисторах мож­но изменять. Для этого между третьим электродом, называемым затвором 3, и истоком включен источник ЭДС Е_З отрицательным полю­сом к затвору, так что р-п переход между n -каналом и полупровод­ником р -типа, который находится у затвора, включен в обратном направлении. Ширина обедненного подвижными носителями р-п перехо­да влияет на ширину n -канала и тем самым на его проводимость. От­метим, что вместо n -канала может быть р -канал из полупроводника р -типа, а затвор - из полупроводника n -типа.

Рис. 18

Работу полевого транзистора с управляющим р-п переходом опре­деляют статические стоковые I_С(U_СИ)_UЗИ = const (рис. 19, а) стоко-затворные I_С(U_ЗИ)_UСИ = const (рис. 19, б) характеристики.

Рис. 19

В рассмотренном случае (рис. 18) полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ). Возможно включение полевого тран­зистора также по схеме с общим стоком (ОС) и общим затвором (О3). Однако две последние разновидности схем включения приме­няются редко и здесь не будут рассматриваться.

Б. Полевые МДП-транзисторы. Полевые МДП-транзисторы отличаются от полевых транзисторов с управляющим р-n переходом тем, что в них электрод затвора изолирован от канала слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика обычно используется окисел SiO₂. Поэтому наряду с термином МДП пользуются термином МОП, отражающим структуру металл-оксид-полупроводник. Различают МДП-транзисторы с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа представляет собой пластину кремния n-типа, называемую подложкой, в которой создаются две области р-типа (рис. 20). Одна из этих областей используется как исток И, другая - как сток С. Электрод затвора 3 изолирован от подложки тонким слоем диэлектрика SiO₂.

Рис. 20

На рис. 21, а и б приведены стоковые и стоко-затворные статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа.

Рис. 21

Условные обозначения полевых транзисторов с управляющим р-п переходом, МДП-транзисторов с индуцированным каналом и МДП-транзисторов со встроенным каналом приведены соответственно на позициях 1-3 рис. 22, а для канала n -типа и рис. 22, б для канала р -типа.

Рис. 22

Основные достоинства полевых транзисторов — большое сопротив­ление входной цепи (1—10 МОм) и технологичность при производстве интегральных микросхем с большой плотностью размещения элемен­тов. Основной недостаток - относительно невысокое быстродействие.

32. Устройство и принцип работы усилителя на базе биполярного транзистора.