И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Мы рассмотрели основные типы полупроводниковых диодов. Существует еще ряд специальных диодов. Некоторые из них описаны в гл. 8. ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ В числе электропреобразовательных полупроводниковых приборов, т.е. приборов, служащих для преобразования электрических величин, важное место занимают транзисторы. Они представляют собой полупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. В транзисторах может быть разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя и — р-перехолами, называемые бипалярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво, В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы. Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рнс.
4Л. Он представляет собой пластину гсрмания, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа и — р — и, имеющий среднюю область с дырочной, а две а) 'ТФ Рнс. 4Л. Принцип устройства (а) и условное графическое обозначение (б) плоскостного транзистора крайние области — с электронной электропроводностъю. Широко применяются также транзисторы типа Р— и — Р, в которых дырочной злектропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропровод- ность. Средняя область транзистора назьь вается базой, одна крайняя область— эл~иттером, другая — колле«»юрам. Таким образом, в транзисторе имеются два и — р-перехода: эмиттерный — между эмиттером и базой и каллеюпариый— между базой и коллектором.
Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. об, пасть базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и змиттере. От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. Для величин, относящихся к базе, эмиттеру н коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно (а, Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например напряжение между базой и эмиттером иа.» между коллектором и базой и„а.
На условном графическом обозначении транзисторов р-и-р и и — р-и стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при пряьгом напряжении на эмиттерном переходе. Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в а«пивном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. Реэ«им отсечки, или заиирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода.'Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. Он используется в 59 Ивв = и„с + ИВ и (4.1) Рвс.
4.2. Движение электронов и дырок в транзисторах типа п — р-и и р — п — р 60 большинстве усилителей и генераторов. Поэтому мы подробно рассмотрим работу транзистора в активном режиме. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора и также будут рассмотрены в дальнейшем. В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, нли управляю<и<от, Иепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка. Для величин, относящихся к входной и выходной цепи, применяют соответственно индексы «вх» и «вых» или 1 и 2.
4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Рассмотрим прежде всего, как работает транзистор, лля примера типа и — р — п, в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е, и Ез 1рис. 4,2,а). Полярность их такова, что на змиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. Поэтому сопротивление змиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е, в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Ез обычно составляет единицы или десятки вольт.
Из схемы на рис. 4.2,а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависи- мостью При работе транзистора в активном режиме обычно всегда ив, ~ и„в и, следовательно, и„о и,.в. Вольт-амперная характеристика змиттерного перехода представляет собойхарактеристику полупроводникового диода при прямом токе (см. рис. 3.2).
А вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе. Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение змиттерного перехода, т. е. участка база — эмиттер (ие.,), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмит- тера. Таким образом, напряжение ив„ т. е, входное напряжение, управляет током коллектора.
Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении. Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения яе, понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход — ток эмиттера (,.
Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и « — ». Между ними возникает электрическое поле. Оно 'способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллектор- ного перехода.
Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллектор- ного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы.
Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает; но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника Е, такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока 1ь Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами: В й + ~б. (4.2) Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т.
е. (в ~ ! а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать („ж (,. Именно для того, чтобы ток (в был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками. Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы. Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока.
В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из п-области. Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера,то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировазь с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода.
Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем боль- б! ше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток коллектора 1„. По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы.
А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда. Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами 1так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели змиттерный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковымн (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.
Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то прирагцение тока змиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока: Л1е = Л1„+ Л1ть (4.3) Важное свойство транзистора — приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу. Пусть, для примера, 1, = 10 мА, 1„= 9,5 мА, )в — — 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10+ 2 = 12 мА, то остальные токи возрастут также на 20%; )в —— 0,5+ 0,1 = = 0,6 мА, 1„= 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т. е. 12 мА = 11,4 мА ч+ 0,6 мА.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
