Компьютерная электроника Лекция 8. Устройство биполярного транзистора

Транзисторы Транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий три и более выводов, предназначенный для усиления или генерации электрических сигналов, а также для коммутации электрических цепей (TRANsfer reSISTOR). Промышленность выпускает широкий ассортименте транзисторов. Наиболее распространенные транзисторы имеют два p-n-перехода, В них используются заряды носителей обеих полярностей. Такие транзисторы называют биполярными. Особую группу составляют полевые, или униполярные, а также фототранзисторы и однопереходные транзисторы. За годы развития транзисторы неоднократно и весьма существенно изменялись по конструктивному исполнению, технологии изготовления, электрическим параметрам и характеристикам. Однако сущность основных физических процессов, происходящих в транзисторе, осталась неизменной.

Устройство биполярного транизистора Основным элементом транзистора является кристалл кремния или германия, в котором созданы три области различных проводимостей. Если две области имеют дырочную проводимость, то такой прибор называют транзистором p-n-p типа. В ином случае - n-p-n типа. Средняя область называется базой, одна крайняя область называется эмиттером, другая коллектором. В транзисторе два p-n – перехода: эмиттерный (между эмиттером и базой) и коллекторный (между базой и коллектором).

Устройство биполярного транзистора Требования к конструкции транзистора: расстояние между переходами должно быть много меньше диффузионной длины неосновных носителей; концентрация атомов примесей в области базы должна быть много меньше, чем в эмиттере.

Принцип работы транзистора Пусть на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Под действием эмиттерного напряжения осуществляется инжекция дырок из эмиттера в область базы. Одновременно электроны базы проходят в область эмиттера. Возникает эмиттерный ток, который равен сумме дырочной I эр и электронной составляющих I эn : I э = I эр + I эn. Концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число дырок, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число электронов, движущихся в противоположном направлении. Следовательно, почти весь ток через эмиттерный переход обусловлен дырками. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции : = I эр / I э 1 (< 1).

Принцип работы транзистора Дырки, попавшие в область базы, движутся к коллекторному переходу. В зависимости механизма прохождения носителей заряда в базе различают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы. В бездрейфовых транзисторах перенос неосновных носителей заряда осуществляется за счет диффузии. В дрейфовых транзисторах о области базы путем соответствующего распределения примесей создается внутренне электрическое поле и перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется в основном за счет дрейфа. Дырки в базе начинают рекомбинировать. Но рекомбинация – процесс не мгновенный. Поэтому почти все дырки успевают пройти через тонкий слой базы и достигнуть коллекторного перехода. Подойдя к коллектору, дырки начинают испытывать действие ускоряющего электрического поля коллекторного перехода и они втягиваются в коллектор.

Принцип работы транзистора Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе на усилительные свойства транзистора используют коэффициент переноса носителей в базе, который показывает, какая часть инжектированных эмиттером дырок достигает коллекторного перехода: = I кp / I эp 1 (

Принцип работы транзистора В цепи коллектора, кроме тока, обусловленного переходом дырок из базы в коллектор, протекает обратный ток коллекторного перехода I кб0 I к = *I э + I кб0. Ток I кб0 незначителен, поэтому можно записать I к *I э. Из последнего выражения следует, что транзистор представляет собой управляемый прибор, так как значение его коллекторного тока эависит от значаения тока эмиттера.

Конструкция транзистора

Режимы работы биполярного транзистора 1 Активный (или режим усиления) нормальное включение, при котором на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный обратное. В активном режиме коэффициент передачи тока эмиттера α = 0, В таком режиме работают линейные усилители. 2 Инверсный. На эмиттерный переход подается обратное напряжение, а на коллекторный прямое. В этом режиме коэффициент передачи тока коллектора заметно меньше коэффициента передачи тока эмиттера при нормальном включении.

Режимы работы биполярного транзистора 3 Режим насыщения. На обоих переходах действуют прямые напряжения, и таким образом транзистор работает в режиме двойной инжекции (в базу поступают носители из эмиттера и из коллектора). 4 Режим отсечки. На обоих переходах действуют обратные напряжения, транзистор закрыт и через переходы текут лишь токи неосновных носителей. Режимы насыщения и отсечки используются в ключевом режиме.

Эквивалентные схемы транзистора Применяются десятки эквивалентных схем транзистора, однако наиболее широкое распространение получила Т- образная, которая наглядно отображает физические процессы в транзисторе.

Эквивалентные схемы транзистора Компоненты Т-образной эквивалентной схемы: дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода r э r э = dU э /dI э при U к = const; диффузионная емкость эмиттерного перехода С э ; коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, характеризующий влияние коллекторного напряжения на эмиттерное из-за модуляции толщины базы эк = dU э /dU к при I э = const; источник напряжения эк *U к, учитывающий влияние коллекторного напряжения на эмиттерное;

Эквивалентные схемы транзистора объемное сопротивление базы r б ; дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r к r к = dU к / dI к при I э = const; барьерная емкость коллекторного перехода С к ; коэффициент передачи эмиттерного тока : = dI к / dI э при U к = const; генератор тока *I э, учитывающий усилительные свойства транзистора.

Основные схемы включения транзисторов В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: общая база – ОБ; общий эмиттер –OЭ; общий коллектор – ОК. Общая база Общий эмиттер

Основные схемы включения транзисторов Общий коллектор