Теоретичні відомості

 

Устрій і принцип роботи транзистора

Біполярний транзистор є напівпровідниковим приладом, що має два p-n переходи в одному монокристалічному напівпровіднику. Якщо зовнішні шари мають провідність р-типа, то транзистор називають типу p-n-p. Якщо, навпаки, р-область укладена між n-областями, то транзистор називають типу n-p-n. Ми будемо розглядати p-n-p транзистор. Однак усі міркування справедливі і для транзисторів типу n-p-n.

 

Рис1. Включення транзистора за схемою з загальною базою (а) і зонні діаграми в рівновазі (б) і при наявності зсувів (в).

 

Перехід, зміщений у прямому напрямку, називають емітерним, відповідно, і прилягаючу до нього р-область – емітером. Другий перехід, зміщений у зворотному напрямку, називають колекторним, а прилягаючу до нього р-область – колектором. Середню n-область називають – базою.

Існують три схеми включення транзистора: із загальною базою, із загальним емітером і з загальним колектором у залежності від чого одержують різні вхідні і вихідні характеристики приладу. На рис.1 представлена схема включення транзистора з загальною базою, а також зонні діаграми в рівновазі і при наявності зсувів. З додатком до емітерного переходу прямої напруги відбувається інжекція дірок з емітера в базу й електронів з бази в емітер. Однак емітер звичайно легують набагато сильніше, ніж базу. Тому потік інжектованих дірок буде набагато перевищувати потік електронів. На границях емітерного переходу встановлюється підвищена концентрація дірок в області бази і емітера. Ці концентрації визначаються рівняннями:

(1)

 

(2)

де: р_no – рівноважна концентрація дірок у базі;

n_ро – рівноважна концентрація електронів в емітері;

k – постійна Больцмана;

Т – температура [К].

Інжектованні у базу дірки в результаті дифузії будуть переміщатися до колекторного переходу. Оскільки ширина бази W набагато менше дифузійної довжини дірок L_р (що звичайно дотримується при виготовленні транзисторів), то майже всі дірки досягнуть колектора і полем запірного шару колекторного переходу будуть переведені в р-область колектора. Виникаючий унаслідок цього колекторний струм лише небагато менше струму дірок, інжектованих емітером.

Оскільки колекторний перехід зміщений у зворотному напрямку, то його опір на кілька порядків вище опору емітерного переходу. Тому в ланцюг колектора може бути включений великий опір навантаження. Тоді відносно мала зміна напруги в ланцюзі емітера викликає велику зміна напруги на опірі навантаження. Таким чином, через розходження вхідного і вихідного опорів, транзистор може підсилювати електричні сигнали по потужності. Очевидно, що посилення по потужності буде тим більше, чим більша частина струму, що походить через емітер, досягне колектора. Відношення збільшення струму колектора до викликавшого його збільшення струму емітера, при постійній напрузі на колекторі, називають коефіцієнтом передачі струму:

(3)

Легко помітити, що колекторний струм обумовлений не всім емітерним струмом, а тільки його дірковою складовою. Тому коефіцієнт передачі залежить від того, яку частку струму емітера складає його діркова компонента.

Для характеристики емітерного переходу вводять коефіцієнт інжекції g₀, що дорівнює відношенню збільшення діркової складової струму емітера до збільшення повного струму емітера при постійній напрузі на колекторі:

(4)

Для того, щоб відбити часткову рекомбінацію дірок у базі, уводять коефіцієнт переносу b, що характеризує частку відданих від емітера до колектора дірок через область бази при постійній напрузі на колекторі:

(5)

Якщо вважати струм колектора чисто дірковим, то буде справедлива рівність:

(6)

 

Робота транзистора описується вхідною, перехідною і вихідною характеристиками.

Вхідна характеристика відображає залежність вхідного струму бази І_Б від вхідної напругиU_Б при сталому значенні напруги між колектором і емітером

(U_КЕ=const)

I_Б =f(U_БЕ) при U_КЕ=const.

Ця залежність нагадує ВАХ діода.

За цією характеристикою визначають вхідний опір

транзистора R_вх=ΔU_БЕ/ΔІ_Б при U_КЕ=const.

Рис 1

Перехідні характеристики відображають залежність струму в полі колектор-емітер - І_К від вхідної напруги U_Б.Е. або від вхідного струму I_Б при сталому значенні U_КЕ..

І_К = f( I_Б) при U_КЕ=const.

Рис.2 Рис.3

 

 

За цими характеристиками визначають коефіцієнт прямої передачі струму

β = ΔІ_К/ΔІ_Б при U_КЕ=const.

 

Вихідна характеристика відображає залежність вихідного струму І_К від вихідної напруги U_КЕ при сталих значеннях вхідного струму I_Б = const. (або вхідної напруги U_БЕ=const).

І_К = f(U_КЕ) при U_БЕ=const.

І_К

 

Засімейством цих характеристик визначають вихідну провідність

 

β=1/R_вих= ΔІ_К/ΔU_КЕ

Рис. 4

U_К

I_Б3>I_Б2>I_Б1