Биполярные транзисторы. Полупроводниковый прибор с двумя р-п-переходами получил название транзистор от сокращения английских слов transfer resistor — управляемый резистор
Полупроводниковый прибор с двумя р-п-переходами получил название транзистор от сокращения английских слов transfer resistor — управляемый резистор. По характеру своей работы он аналогичен трехэлектродной электронной лампе — триоду, поэтому транзистор часто называют полупроводниковом триодом. Применяют транзистор главным образом для усиления электрических сигналов, генерирования электрических колебаний и в качестве бесконтактного ключевого элемента.
Принцип действия. Основой транзистора является пластинка кремния или германия, состоящая из трех областей. Две крайние области обладают проводимостью одного типа, средняя — противоположной проводимостью. Приборы, у которых средняя часть обладает электронной проводимостью, называются транзисторами типа р-п-р; те же, у которых средняя часть обладает дырочной проводимостью, — транзисторами типа п-р-п. Принцип действия транзисторов обоих типов и физические процессы, происходящие в них, одинаковы. Промышленность выпускает транзисторы типов р-п-р и п-р-п.
Транзистор р-п-р имеет два р-п-перехода П1 (рис. 8, а) и П2, разделяющих прибор на три области. Левая часть называется эмиттером, он вырабатывает электрически заряженные частицы (в рассматриваемом случае дырки); средний полупроводник называется базой, а правая часть — коллектором.
Когда транзистор не подключен к внешним источникам электрической энергии, то в его р-п-переходах создаются потенциальные барьеры высотой Uпер (рис.8, б). Через них протекают два небольших тока: ток, обусловленный диффузией через переходы основных носителей (дырок из области р и электронов из области п), и встречный дрейфовый ток, созданный неосновными носителями. Эти токи одинаковы, поэтому суммарный ток через каждый переход равен нулю.
Если подать на эмиттер положительный, а на коллектор отрицательный потенциал (рис. 9, а) от какого-либо внешнего источника электрической энергии, то через транзистор под действием напряжения UЭКбудет проходить очень малый ток, так как прохождению его через прибор будет препятствовать закрытый переход П2 между базой и коллектором.
Для того чтобы через прибор проходил достаточно большой ток, необходимо, кроме основного источника электрической энергии с напряжением UЭК, включить между базой и эмиттером дополнительный источник электрической энергии. При подаче напряжений UЭБ между эмиттером и базой и UЭК между эмиттером и коллектором эмиттерный переход П1 смещается в прямом направлении, а коллекторный П2 — в обратном, т. е. потенциальный барьер в переходе П1 уменьшается, а в переходе П2 возрастает (рис. 9, б).
При подаче напряжения UЭБ между эмиттером и базой в цепи эмиттера возникает ток и через открытый эмиттерный переход П1 между эмиттером и базой начинается движение носителей электричества — дырок и электронов. При изготовлении транзисторов специальными технологическими приемами обеспечивается такое распределение примесей в эмиттере и базе, чтобы число дырок в единице объема эмиттера, обладающего проводимостью типа р, было значительно больше числа электронов в базе, обладающей проводимостью типа п. Удельное сопротивление эмиттера также делают небольшим. Поэтому прямой ток через эмиттерный переход П1 будет определяться в основном переходом дырок из эмиттера в базу (основная составляющая тока эмиттера) и в очень малой доле — электронами, переходящими из базы в эмиттер.
При подаче напряжения UЭБ. происходит как бы впрыскивание дырок в область базы (рис. 10, а), этот процесс носит название инжекции дырок.
Дырки, попав в базу, диффундируют к коллекторному переходу и начинают испытывать воздействие его электрического поля, созданного напряжением UЭК . Потенциальный барьер между базой и коллектором препятствует прохождению электронов из базы к коллектору. Но для дырок, которые проникли в базу, электрическое поле в переходе П2 является ускоряющим, поэтому они быстро втягиваются в коллектор, резко уменьшая сопротивление коллекторного перехода (рис. 10, б). Таким образом, инжекция дырок в базу способствует снижению потенциального барьера для этих носителей в переходе П2, т.е. смещает этот переход в прямом направлении.
Рис. 8. Структура электронно-дыроч- рис.9.Схема включения транзистора ных переходов в транзисторе типа р-п-р типа р-п-р /а) и изменение при этом при отсутствии тока {а} и потенциаль- потенциального барьера (6) ный барьер (б)
Некоторая часть дырок, поступающих в базу, рекомбинирует с имеющимися в ней в избытке электронами, в результате чего создается некоторый ток базы. Для уменьшения тока базы ее ширину делают малой, чтобы большая часть дырок успела пройти через нее и достигнуть коллекторного перехода, прежде чем произойдет рекомбинация. Поэтому в современных транзисторах почти все дырки, проникающие в базу (90-95%), достигают коллектора.
При работе транзистора типа р-п-р дырки являются основными носителями электричества. Они непрерывно поступают от эмиттера к коллектору, создавая токи IЭ в цепи эмиттера и IК в цепи коллектора (рис. 11, б). При этом число дырок, проходящих через коллекторный переход, несколько меньше, чем через эмиттерный, т.е. ток IК меньше IЭ.
Рис. 10. Инжекция дырок в базу (а) и образование тока коллектора (б) в транзисторе типа р-п-р
Рис. 11. Обратный ток коллектора транзистора типа р-п-р, вызванный перемещением неосновных носителей (а), и распределение токов, созданных основными носителями (б)
Ток базы 1б состоит из двух составляющих. Одна из них — ток Iп — обусловливается прохождением некоторого числа электронов из базы в эмиттер через эмиттерный переход; другая - ток Iр - создается в результате рекомбинации дырок с электронами. Обе эти составляющие образуются вследствие того, что в базу вместо перешедших в эмиттер и исчезнувших при рекомбинации электронов входят от дополнительного источника напряжения Uэб все новые и новые электроны.
Для того чтобы рекомбинация дырок в базе была по возможности меньшей (чтобы ток базы был мал), для изготовления транзисторов применяют полупроводники исключительно высокой чистоты, ширину базы стараются сделать по возможности малой (в последних конструкциях транзисторов она составляет несколько десятков микрон), чтобы время пробега дырок от эмиттера к коллектору было намного меньше времени жизни носителей; удельное сопротивление базы также делают большим, чем у эмиттера. Это способствует увеличению среднего времени жизни дырок в базе и уменьшению потока электронов, идущих от источника эмиттерного напряжения.
Для уменьшения тока Iб концентрацию электронов в базе берут в несколько сотен раз меньшей концентрации дырок в эмиттере.
Чем больше ток в цепи эмиттера, тем больше дырок поступает в область базы, тем ниже сопротивление коллекторного перехода и больший ток проходит по цепи коллектора. Достаточно приложить небольшое напряжение между эмиттером и базой (несколько десятых вольта), чтобы открыть дыркам путь через коллекторный переход.
Следовательно, в транзисторе напряжение Uэб или ток 1б, протекающий в цепи базы, управляет током Iк в цепи коллектора.
Если в цепь эмиттер-база включить источник слабых сигналов, например микрофон , а в цепь коллектора - нагрузку, например громкоговоритель , то слабые сигналы, подаваемые на базу транзистора, будут усиливаться им и подаваться на нагрузку. На этом принципе основана работа любого транзисторного усилителя.
В транзисторах существует следующее соотношение между токами:
IЭ = IК + Iб. Практически из-за малого значения тока базы считают, что ток IК приблизительно равен току IЭ.
Связь между приращениями тока коллектора DIК и тока эмиттера DIЭ при постоянном напряжении в цепи коллектора (между эмиттером и коллектором UЭК или же между базой и коллектором UБК в зависимости от схемы включения транзистора) характеризуют коэффициентом передачи тока эмиттера а = DIК /DIЭ. Этот коэффициент всегда меньше единицы, т. е. DIК несколько меньше DIЭ. В современных транзисторах а = 0,9 ¸ 0,99. Ток коллектора IК = IЭ+ IКО.
Отношение приращения тока коллектора DIК к приращению тока базы DIБ при постоянном напряжении в цепи коллектора называют коэффициентом передачи тока базы b=DIК/DIб. Этот коэффициент составляет от 10-15 до 100-200. Коэффициенты a и b связаны между собой следующими соотношениями:
b=a/(a-1); a=b/(b+1).
Рис. 12- Схема включения транзисторов типов р-п-р (а) и п-р-п (б); Д - источник усиливаемого сигнала; R — нагрузочное сопротивление; Э — эмиттер; Б - база; К - коллектор; UН - напряжение на нагрузке
В транзисторах типа п-р-п механизм управления током коллектора остается тем же, что и для транзистора типа р-п-р. Только основными носителями тока в цепи эмиттера и коллектора будут электроны, а неосновными носителями, обусловливающими ток базы, — дырки. Характеристики таких транзисторов будут несколько иными из-за большей подвижности электронов. Полярность подключения источников питания будет у них противоположной по сравнению с полярностью подключения источников питания транзисторов типа р-п-р (рис.12).
Устройство транзисторов. Промышленность выпускает плоскостные транзисторы (кремниевые и германиевые), которые изготавливают различными способами. В сплавных транзисторах в основной кристалл с проводимостью типа п вплавляют капли примесей (индия), образующих области с проводимостью типа р . Чтобы значительное число дырок, поступающих в базу Б из эмиттера Э, достигало коллекторного перехода, необходимо, чтобы расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами было мало, поэтому толщина пластинки полупроводника, образующей базу, берется малой - примерно 0,025— 0,05мм. Прибор смонтирован в герметически закрытом корпусе. Один из выводов прикреплен к основанию прибора, два других проходят через основание сквозь стеклянные изоляторы.
В мощных транзисторах области с различной проводимостью получают диффузией примесей в основной кристалл. Эмиттер и база в этом случае представляют собой тончайшие (микронные) пленки, к которым присоединены контактные кольца. Вся область р-п-переходов покрыта защитной пленкой. Она предохраняет переходы от вредного воздействия нагрева самого транзистора.
Основной проблемой в этих транзисторах является уменьшение нагрева прибора, который вызывается потерями энергии в р-п-перехо-дах. При повышении температуры выше допустимой изменяются токи эмиттера и коллектора, что нарушает работу прибора и снижает его коэффициент передачи тока эмиттера. Поэтому в качестве исходного материала при изготовлении мощных транзисторов используют кремний, допускающий работу при температурах до 140 °С. Чтобы уменьшить температуру переходов, стремятся увеличить площадь поверхности теплоотдачи. К таким приборам прикрепляют специальные охладители, имеющие большую поверхность охлаждения.
Выпускают мощные кремниевые транзисторы типа КТ (кремниевый транзистор) на токи до 100 А и напряжения до 1000 В.
Дата добавления: 2015-09-28; просмотров: 2054;