ЛЕКЦИЯ 8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С УПРАВЛЯЕМЫМ p-n -ПЕРЕХОДОМ
Основными элементами устройств, применяемых для усиления мощности электрических сигналов, являются транзисторы. Они выпускаются в виде отдельных элементов или входят в состав интегральных микросхем. Транзисторы можно разделить на два класса – биполярные и униполярные (полевые). В биполярных транзисторах в работе прибора принимают участие как положительные, так и отрицательные носители заряда, отсюда и термин “биполярный”. Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя электрическими р-n - переходами и тремя выводами. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-р - типа и n-р-n - типа (рис.1).
Условное графическое обозначение транзисторов р-n-р и n-р-n -типов с указанием направления токов при работе в нормальном (активном) режиме приведено на рис.2.
При подключении напряжений к наружным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, а к другому – обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, соответствующий наружный слой – эмиттером (э), средний слой − базой (б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой – коллектором (к).
Однотипность слоев коллектора и эмиттера в ряде случаев позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.
Первые биполярные транзисторы были изготовлены по сплавной технологии. Их типовая структура приведена на рис.3.
При подключении к электродам транзистора напряжений Uэб и Uбк (рис.4) эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.
Электроны из внешней цепи через электрод эмиттера поступают в область эмиттера, создавая тем самым ток эмиттера Iэ. В области эмиттера электроны являются основными носителями и проходя через понизившийся потенциальный барьер инжектируются в область базы, где становятся неосновными носителями и диффундируют к коллекторному р-n - переходу. Вследствие малой толщины базы W (рис.3) меньшая часть электронов (1¸10%) рекомбинирует с дырками (нижний электрон на рис.4), создавая небольшой ток базы Iб. Большая часть электронов (90¸99%) достигает коллекторного р-n - перехода, открытого для неосновных носителей, и попав в ускоряющее поле, экстрагируется (втягивается) в область коллектора. В коллекторе электроны вновь становятся основными носителями и уходят во внешнюю цепь, создавая ток коллектора Iк.
Из рис.4 видно, что ток эмиттера есть сумма базового и коллекторного токов:
Iэ=Iб+Iк , (1)
Ток коллектора изменяется пропорционально изменению тока эмиттера
Iк=a×Iэ , (2)
где a – коэффициент передачи эмиттерного тока. Для хороших транзисторов он близок, но немного меньше единицы.
Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному р-n - переходу приложить напряжение, изменяющее по этому закону ток эмиттера.