1. Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и pnp транзисторы (n (negative) – электронный тип примесной проводимости, p (positive) – дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» – «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора – большая площадь p – n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

Устройство и принцип действия

Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим n-p-n транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они – неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент б, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = б Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента б 0.9 – 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен в = б / (1 − б) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база – в обратном (закрыт)

UЭБ>0; UКБ<0;

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход – прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмитерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих схему элементов, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Основные параметры:

– коэффициент передачи по току;

– входное сопротивление;

– выходная проводимость;

– обратный ток коллектор-эмиттер;

– время включения;

– предельная частота коэффициента передачи тока базы.

Технология изготовления транзисторов:

– эпитаксиально-планарная;

– сплавная;

– диффузионный;

– диффузионно-сплавной.

Применение транзисторов

– усилители, каскады усиления;

– генератор;

– модулятор;

– демодулятор (Детектор);

– инвертор Микросхемы на транзисторной логике.

2. Принцип действия транзисторов и схема его включения

Принцип работы транзистора состоит во взаимодействии токов диффузии (тонкая база) и проводимости (под действием электрического поля), это типа биполярного транзистора, а полевого – в перекрытии канала проводимости в полупроводнике электрическим полем затвора. В отличии от диодов с p-n переходом, то транзистор работает на p-n-p переходе с тремя ногами. Принцип его работы такой, что одной ногой можно управлять напряжением (именно напряжением) перехода другой связки.

Принцип работы транзистора

Традиционной планарный транзистор представляет собой крохотную кремневую пластинку, обогащенную примесью р-типа и называемую подложкой. В подложке формируются две легированные области, обогащенные примесью n-типа. Одна такая область называется стоком, а другая – истоком. На границе областей n-р происходят весьма любопытные физические процессы: за счет вездесущей диффузии пограничные электроны из n-областей перескакивают в р-область, богатую свободными дырками. Не сделав и пары шагов, электрон «проваливается» в первую же встретившуюся на его пути дырку. Если же ему удастся выскочить оттуда, он тут же захватывается другой свободной дыркой (а свободных дыр В р-области очень много). Часть этих дырок под давлением диффузных обстоятельств срывается с насиженного места и эмигрирует в n-обдасть, где их уже ждет толпа «голодных» электронов, и после непродолжительной рекомбинации здесь не остается ни дырок, ни электронов (разумеется, электроны никуда не исчезают, но, попав в дырки, теряют подвижность и перестают быть свободными).

Таким образом, на границах областей n-р образуется обедненная зона, в которой отсутствуют носители заряда, и потому течение тока между истоком и стоком оказывается невозможным. Для того чтобы транзистор мог переносить заряд, конструкторам пришлось добавить третий электрод – затвор. В отличие от устройства биполярных транзисторов, верой и правдой служивших в отечественной бытовой аппаратуре с восьмидесятых годов, затвор электрически не связан с р-областью и отделен от нее тонким слоем изолятора (в роли которого обычно выступает оксид кремния). Управление переносом заряда осуществляется не электрическим током, а электромагнитным полем. При подаче положительного потенциала на затвор создаваемое им электромагнитное поле вытесняет дырки вглубь подложки и затягивает в обедненный слой электроны из окружающих n-областей. Через короткое время пространство между n-областями насыщается свободными носителями заряда, в результате чего в подзатворной области образуется насыщенный канал, способный беспрепятственно проводить электрический ток. Такое состояние транзистора условно называют открытым. При исчезновении потенциала на затворе канал быстро забивается дырками, набежавшими из р-слоя. Электроны проваливаются в дырки, и проводимость канала начинает катастрофически падать. В конце концов канал разрушается, и транзистор переходит в закрытое (запертое) состояние.

На рисунке показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер – Э, база – Б, коллектор – К. Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т.е. общий для входа, выхода и источника питания.

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада. К преимуществам – высокий коэффициент усиления.

Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения – входной ток протекает через переход «база-эмиттер» транзистора, что вызывает открывание транзистора и, вследствие этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом, происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи – величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока.

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон.

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Что такое частотная характеристика транзистора? Это – способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величина зависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способен усиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициент усиления транзистора понижается. Если для построения усилителя использовать, например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскад перестает усиливать входной сигнал. Использование этого – же транзистора, но включенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничную частоту усиления. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и невысоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых, как правило, не превышает 100 Ом).

3. Входная и выходная характеристика транзистора (графики)

транзистор прибор трехэлектродный биполярный

Выходная характеристика транзистора КТ315Б

Входная характеристика транзистора КТ315Б