Принцип действия транзистора в качестве усилителя

Транзистор - это полупроводниковый прибор, имеющий два р-n-перехода, расположенных в одном полупроводниковом монокристалле на расстоянии, значительно меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда. На рисунке 1.5 показано включение транзистора типа р–п–р по схеме с общей базой. Левый р-n-переход называется эмиттерным переходом, а его р-область – эмиттером. Правый р-n-переход называется коллекторным переходом, а его p-область - коллектором. Заключенная между эмиттером и коллектором n-область называется базой транзистора.

Транзистор, у которого эмиттер и коллектор n-типа, а база p-типа, называется транзистором n-p-n-типа. При работе транзистора p-n-p-типа в режиме усиления эмиттерный переход включен в пропускном направлении и инжектирует дырки в базу, откуда они попадают в цепь обратно смещенного коллекторного перехода. Поскольку толщина базы транзистора W значительно меньше диффузионной длины дырок Lp, то концентрация инжектированных эмиттером дырок при пролете через базу почти не изменяется. Таким образом, сила дырочного тока в коллекторной цепи I_PK приблизительно равна силе дырочного тока в эмиттерной цепи I_PЭ. Ток насыщения коллекторного перехода мал, и им можно в первом приближении пренебречь по сравнению с I_PK. Поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении, то его сопротивление велико, что позволяет включать в коллекторную цепь большое сопротивление нагрузки R_H без заметного изменения коллекторного тока. При этом, конечно, R_H должно быть значительно меньше сопротивления коллектора. В связи с отмеченными выше обстоятельствами, относительно малое изменение падения напряжения на эмиттером переходе, сопротивление которого мало, вызовет большое изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки при почти одинаковом изменении силы тока в эмиттерной и коллекторной цепях. В результате резкого различия входного и выходного сопротивлений транзистор осуществляет усиление по мощности.

При работе транзистора в описанном выше режиме через эмиттерный переход будет течь и электронный ток, вызванный инжекцией электронов из базы в эмиттер, но эта составляющая тока в коллекторный переход не попадает и не влияет на силу тока в его цепи, то есть она оказывается бесполезной для управления коллекторным переходом. Отсюда следует, что наилучшее управление коллекторного тока эмиттерным может быть достигнуто, в транзисторе, в котором эмиттерный ток в основном обусловлен инжекцией дырок в базу. Это условие выполняется за счет того, что обычно удельная проводимость эмиттера s_РЭ значительно больше удельной проводимости базы s_nБ. Технология изготовления транзисторов предусматривает выполнение этого условия и для коллекторного перехода, то есть .

Ток через базовый контакт I_Б является чисто электронным. В стационарном случае он определяется потоком электронов, которые втягиваются в базу через базовый контакт для компенсации электронов, уходящих в эмиттер и создающих электронную составляющую тока эмиттера I_nЭ, электронов, гибнущих за счет рекомбинации с дырками, инжектируемыми из эмиттера, за вычетом электронов, поставляемых в базу обратным током коллектора.

Усилительные свойства транзистора обычно характеризуются коэффициентом передачи тока или коэффициентом усиления, который равен отношению изменения выходного тока к изменению входного при неизменном напряжении коллектор – база, обозначается через a или h21. В соответствии с определением:

,

где – эффективностью эмиттера, показывает, какая часть приращения тока эмиттера управляет током коллектора;

– коэффициент переноса, он показывает, во сколько раз уменьшается приращение дырочного тока в процессе переноса дырок от эмиттера до коллектора за счет их рекомбинации с электронами в базе;

– коэффициентом умножения коллектора.