Транзистори - Біполярний транзистор
Біполярний транзистор - електропреобразовательних напівпровідниковий прилад з одним або декількома електричними переходами, призначений для посилення, перетворення і генерації електричних сигналів.
Пристрій площинного біполярного транзистора показано на малюнку.
Мал. 1 - Принцип пристрою площинного транзистора.
Вся конструкція виконується на пластині кремнію, або германію, або іншого напівпровідника, в якій створені три області з різними типами електропровідності. На малюнку транзистор типу n-p-n, у якого середня область з доречний, а крайні з електронною електропровідністю.
Середня область називається базою. одна з крайніх областей - емітером. інша - колектором. Відповідно в транзисторі два p-n-переходу: емітерний - між базою і емітером і колекторний - між базою і колектором. Область бази повинна бути дуже тонкою, набагато тонше емітерний і колекторної областей (на малюнку це показано непропорційно). Від цього залежить умова хорошої роботи транзистора.
Транзистор працює в трьох режимах залежно від напруги на його переходах. При роботі в активному режимі на емітерний перехід напруга пряме, на колекторному - зворотне. У режимі відсічення на обидва переходу подано зворотна напруга. Якщо на ці переходи подати пряму напругу, то транзистор буде працювати в режимі насичення.
Візьмемо транзистор типу n-p-n в режимі без навантаження, коли підключені тільки два джерела постійних живлячих напруг E1 і E2. На емітерний перехід напруга пряме, на колекторному - зворотне (рис. 2). Відповідно, опір емітерного переходу мало і для отримання нормального струму достатньо напруги E1 в десяті частки вольта. Опір колекторного переходу велике і напруга E2 складає зазвичай десятки вольт.
Мал. 2 - Рух електронів і дірок в транзисторі типу n-p-n.
Відповідно, як і раніше, темні маленькі гуртки зі стрілками - електрони, червоні - дірки, великі гуртки - позитивно і негативно заряджені атоми донорів і акцепторів.
Вольт-амперна характеристика емітерного переходу являє собою характеристику напівпровідникового діода при прямому струмі, а вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна ВАХ діода при зворотному струмі.
Принцип роботи транзистора полягає в наступному. Пряме напруга емітерного переходу Uб-е впливає на струми емітера і колектора і чим воно вище, тим ці струми більше. Зміни струму колектора при цьому лише незначно менше змін струму емітера. Виходить, що напруга на переході база-емітер, т. Е. Вхідна напруга, управляє струмом колектора. На цьому явищі заснована усленіе електричних коливань за допомогою транзистора. Розглянемо фізичні процеси.
При збільшенні прямої вхідної напруги Uб-е знижується потенційний бар'єр в емітерний перехід і, відповідно, зростає струм через цей перехід iе. Електрони цього струму инжектируются з емітера в базу і завдяки дифузії проникають крізь базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора. Оскільки колекторний перехід працює при зворотній напрузі, то в цьому переході виникають об'ємні заряди (на малюнку великі кружки). Між ними виникає електричне поле, яке сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, які прийшли сюди з емітера, т. Е. Втягують електрони в область колекторного переходу.
Якщо товщина бази досить мала і концентрація дірок в ній невіліка, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбинирует в базі з дірками. В результаті цього виникає струм бази. Струм база є марним і навіть шкідливим. Бажано, щоб він був якомога менше. Саме тому базову область роблять дуже тонкою і зменшують в ній концентрацію дірок. Тоді менше число електронів буде рекомбінувати з дірками і, повторюся, струм бази буде незначним.
Коли до емітерного переходу не доклали напругу, можна вважати, що в цьому переході струму немає. Тоді область колекторного переходу має значний опір постійному струму, оскільки основні носії зарядів віддаляються від цього переходу і по обидві кордону створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає дуже малий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв.
Якщо ж під дією вхідної напруги виникає значний струм емітера, то в базу з боку емітера инжектируются електрони, для даної області є неосновними носіями. Вони доходять до колекторного переходу не встигаючи рекомбінувати з дірками при проходженні через базу. Чим більше струм емітера, тим більше електронів приходить до колектора, тим менше стає його опір, отже, струм колектора збільшується.
Аналогічні явища відбуваються в транзисторі типу p-n-p, треба тільки місцями поміняти електрони і дірки, а також полярність джерел E1 і E2.
Крім розглянутих процесів існує ще ряд явищ. При підвищенні напруги на колекторному переході в ньому відбувається лавинної розмноження заряду, обумовлене в основному ударної іонізацією. Це явище і тунельний ефект можуть викликати електричний пробій, який при зростанні струму може перейти в тепловий пробій. Все відбувається також, як у діодів, але в транзисторі при надмірному колекторному струмі тепловий пробій може наступити без попереднього електричного пробою, т. Е. Тепловий пробій може наступити без підвищення колекторного напруги до пробивної.
При зміні напруги на колекторному і емітерний переходах змінюється їх товщина, в результаті чого змінюється товщина бази. Це явище називається модуляцією товщини бази. Особливо важливо враховувати напругу колектор-база, оскільки при цьому товщина колектора зростає, товщина бази зменшується. При дуже тонкій базі може виникнути ефект змикання (так званий "прокол" бази) - з'єднання колекторного переходу з емітерним. При цьому область бази зникає і транзистор перестає нормально працювати.
При збільшенні інжекції носіїв з емітера в базу відбувається накопичення неосновних носіїв заряду в базі, т. Е. Збільшення концентрації і сумарного заряду цих носіїв. А ось при зменшенні інжекції відбувається зменшення концентрації і сумарного заряду цих самих носіїв в базі і цей процес обізвали розсмоктуванням неосновних носіїв зарядів в базі.
І на останок одне правило: при експлуатації транзисторів забороняється розривати ланцюг бази, якщо не включено харчування ланцюга колектора. Треба також включати харчування ланцюга бази, а потім ланцюга колектора, але не навпаки.