Лекция №28
Тема: Транзисторы
План
1. Классификация транзисторов
2. Биполярные транзисторы
3. Принцип действия р-п-р транзистора.
4. Полевые транзисторы
Классификация транзисторов
В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.
Биполярные транзисторы
Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя выводами или более, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.
В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя p-n-переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-п-р иn-p-n-типов.
Транзисторы, в которых p-n-переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными
Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с чередующейся проводимостью и снабженный тремя выводами (электродами) для подключения к внешней цепи.
На рис. 1.5, а и б показано схемное обозначение двух типов транзисторов р-п-р-типа и п-р-п- типа. Крайние слои называют эмиттером (Э) и коллектором (К), между ними находится база (Б). В трехслойной структуре имеются дваp-nперехода: эмиттерный переход между эмиттером и базой и коллекторный переход между базой и коллектором. В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний.
При изготовлении транзистора обязательно должны быть выполнены два условия:
1. толщина базы (расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;
2. концентрация примесей (и основных носителей) заряда в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе (Na>>NД в р-п-р транзисторе).
Принцип действия р-п-р транзистора.
Транзистор включают последовательно с сопротивлением нагрузки Rк в цепь источника коллекторного напряжения Ек. На вход транзистора подается управляющая ЭДС ЕБ ', как показано на рис. 1.6, а. Такое включение транзистора, когда входная(ЕБ, RБ) и выходная(ЕК, RК) цепи имеют общую точку — эмиттер, является наиболее рас-пространенным и называется включением с общим эмит-тером (ОЭ).
При отсутствии напряжений (ЕБ=0, ЕК =0) эмиттер-ный и коллекторный переход находятся в состоянии рав-новесия, токи через них равны нулю. Оба перехода имеют двойной электрический слой, состоящий из ионов примесей, и потенциальный jбарьер о, различный на каждом из переходов. Распределение потенциалов в транзисторе при отсутствии напряжений показано на рис. 1.6,б штриховой линией.
Полярность внешних источников ЕБ и ЕК выбирается такой, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение (минус источника ЕБ подан на базу, плюс — на эмиттер), а на коллекторном переходе — обратное напряжение (минус источника ЕК — на коллектор, плюс — на эмиттер), причем напряжение |Uкэ|> |Uбэ| (напряжение на коллекторном переходе Uкб = Uкэ-Uбэ) • При таком включении источников ЕБ и ЕК распределение потенциалов в транзисторе имеет вид, показанный на рис..1.6, б сплошной линией. Потенциальный барьер эмиттерного перехода,смещенного в прямом направлении, снижается, на коллекторном переходе потенциальный барьер увеличивается. В результате приложения к эмиттерному переходу прямого напряжения начинается усиленная диффузия (инжекция) дырок из эмиттера в базу. Электронной составляющей диффузионного тока через эмиттерный переход можно пренебречь, так как рр>>пп, поскольку выше оговаривалось условие NА>>NД. Таким образом, ток эмиттера IЭ= IЭдиф р . Под воздействием сил диффузии в результате перепада концентрации вдоль базы дырки продвигаются от эмиттера к коллектору. Поскольку база в транзисторе выполняется тонкой, основная часть дырок, инжектированных эмиттером, достигает коллекторного перехода, не попадая в центры рекомбинации. Эти дырки захватываются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, так как это поле является ускоряющим для неосновных носителей — дырок в базе n-типа. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь, источник ЕК. При увеличении тока IDэмиттера на величину Э IDток коллектора возрастет на К IDa= Э. Вследствие малой вероятности рекомбинации в тонкой базе коэффициент передачи тока aэмиттера ID=К ID/Э =0,9-0,99.
Небольшая часть дырок, инжектированных эмиттером, попадает в центры рекомбинации и исчезает, рекомбинируя с электронами. Заряд этих дырок остается в базе, и для восстановления зарядной нейтральности базы из внешней цепи за счет источника Ев в базу поступают электроны. Поэтому ток базы представляет собой ток рекомбинации Iрек=IЭ)Помимо указанных основныхa(1- составляющих тока транзистора надо учесть возможность перехода неосновных носителей, возникающих в базе и коллекторе в результате генерации носителей, через коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение. Этот малый ток (переход дырок из базы в коллектор и электронов из коллектора в базу) аналогичен обратному току р-п перехода, он также называется обратным током коллекторного перехода или тепловым током и обозначается Iкбо (рис. 1.6, а)
полевые транзисторы — полупроводниковые приборы, которые практически не потребляют ток из входной цепи.
Полевые транзисторы подразделяются на два типа, отличающихся друг от друга принципом действия: а) с р-п переходом; б) МДП-типа.
Полевые транзисторы
. Полевые транзисторы с р-п переходом имеют структуру, разрез которой приведен на рис. 1.9, а. Слой с проводимостью р-типа называется каналом, он имеет два вывода во внешнюю цепь: С — сток и И — исток. Слои с проводимостью типа п, окружающие канал, соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором 3. Подключение источников напряжения к прибору показано на рис. 1.9, а, на рис. 1.9,6 показано схемное обозначение полевого транзистора с р-п переходом и каналом р-типа. Существуют также полевые транзисторы с каналомn-типа, их обозначение приведено на рис. 1.9, в, принцип действия аналогичен, но направления токов и полярность приложенных напряжений противоположны.
Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с каналом р-типа. На рис. 1.9, г приведено семейство стоковых (выходных) характеристик этого прибораIс=f(Uси) приUзи=const.
При управляющем напряжении Uзи = 0 и подключении источника напряжения между стоком и истоком Uси по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. НапряжениеUсиравномерно приложено по длине канала, это напряжение вызывает обратное смещение р-п перехода между каналом р-типа иn-слоем, причем наибольшее обратное напряжение на р-п переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока р-п переход находится в равновесном состоянии. При увеличении напряжения Uси область двойного электрического слоя р-п перехода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться, как показано на рис. 1.10, а. Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где больше обратное напряжение на переходе. Расширение р-п перехода приводит к сужению проводящего ток канала транзистора, и сопротивление канала возрастает. Из-за увеличения сопротивления канала при ростеUси стоковая характеристика полевого транзистора имеет нелинейный характер (рис. 1.9,г). При некотором напряжении Uси границы р-п перехода смыкаются (пунктир на рис. 1.10, а), и рост токаIс при увеличении Ucb прекращается.
При приложении положительного напряжения к затвору Uзи>0 р-п переход еще сильнее смещается в область обратного напряжения, ширина перехода увеличивается, как показано на рис. 1.10,6. В результате канал, проводящий ток, сужается и ток Iс уменьшается. Таким образом, увеличивая напряжение Uзи. можно уменьшить Iс что видно из рассмотрения рис. 1.9, г. При определенном Uзи называемом напряжением отсечки, ток стока практически не протекает. Отношение IDизменения тока стока C к вызвавшему его изменению напряжения UзиDмежду затвором и истоком при Uси =const называется крутизной: S = IDCUзиD/ при Uси = const
В отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы управляются напряжением, и через цепь затвора протекает только малый тепловой ток Iз р-п перехода, находящегося под действием обратного напряжения.
Контрольные вопросы
1. Сколько выводов имеют транзисторы?
2. Каково устройство биполярных транзисторов?
3. Когда транзисторы открыты?
4. Что собой представляет выходная характеристика транзистора?
5. От каких факторов зависят токи в транзисторе?
6. Каково устройство полевого транзистора?
7. Каким образом управляются полевые транзисторы?
Список литературы
1. Петленко Б.И., Иньков Ю.М., Крашенинников А.В. и др. Электротехника и электроника: учебник для студ. средн. проф. образования. 4-е издание. –М., Издательский центр «Академия», 2008.-320с., стр.140-148
2. Попов В.С., Николаев С.А., Общая электротехника с основами электроники. -М., Энергия, 1977.-568с., стр.464-473