Техника полупроводниковых приборов: достоинства и недостатки

Транзистор, принцип действия, схема включения.    

 Транзистор, или полупроводниковый триод,  являясь управляемым элементом,  нашел широкое применение в  схемах усиления, а также в  импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность- таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей техники электронный лампы.  

 Биполярный  транзистор представляет собой  трехслойную полупроводниковую  структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n (рисунок ниже). Их условное обозначение на электронных схемах показано на том же рисунки. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.

 
  Трехслойная  транзисторная структура создается по сплавной или диффузионной технологии, по которой выполняется и двухслойная структура проводниковых диодов. Трехслойная транзисторная структура типа p-n-p, выполненная по сплавной технологии  Пластина полупроводника n-типа является основанием, базой конструкции. Два наружных p-слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси при сплавлении с соответствующим материалом. Один из слоев называется эмитерным, а  другой- коллекторным . Так же называются и p-n-переходы создаваемые этими слоями со слоем базы, а также внешние выводы от этих слоев.

Принцип действия транзистора заключается в том, что 2 р-п перехода расположены настолько  близко друг к другу, что происходит взаимное их влияние, вследствие чего они усиливают электрические сигналы.

 
         Как показано на рис., это  три области – п-, р- и п. (В  принципе может быть и наоборот: р-, п-, р-; все рассуждения относительно такого транзистора будут одинаковы, различие только в полярностях напряжений, такой транзистор называется р-п-р, а мы для простоты будем рассматривать п-р-п, изображённый на рис.)        

 Итак, на рис. изображены три слоя: с электронной электропроводностью, причём сильной, что обозначает плюс -  эмиттер,  дырочной - база, и снова электронной, но более слабо легированной (концентрация электронов самая малая) – коллектор. Толщина базы, т.е. расстояние между двумя р-п переходами, равное Lб , очень мала. Она должна быть меньше диффузионной длины электронов в базе. Это от единиц до десятка мкм. Толщина базы должна быть не более единиц мкм. (Толщина человеческого волоса 20-50 мкм. Отметим также, что это близко к пределу разрешения человеческого глаза, так как мы не можем видеть ничего меньшего, чем длина волны света, т.е. примерно 0,5 мкм). Все остальные размеры транзистора не более примерно 1 мм.         

 К слоям  прикладывают внешнее напряжение  так, что эмиттерный р-п переход смещён в прямом направлении, и через него протекает большой ток, а коллекторный р-п переход смещён в противоположную сторону, так что через него не должен протекать ток. Однако вследствие того, что р-п переходы расположены близко, они влияют друг на друга, и картина меняется: ток электронов, прошедший из эмиттерного р-п перехода, протекает дальше, доходит до коллекторного р-п перехода и электрическим полем последнего электроны втягиваются в коллектор. В результате у хороших транзисторов практически весь ток коллектора равен току эмиттера. Потери тока очень незначительны: проценты и даже доли процента.

 
Рассмотрим более внимательно составляющие токов в биполярном транзисторе п-р-п типа. Это изображено на рис.:  

Верхний ток (большая толстая стрелка с  минусом) – это ток электронов из эмиттера в коллектор. В эмиттере электронов много, поэтому этот ток  большой. Когда электроны входят в базу, то дальше они движутся за счёт диффузии (электрического поля в базе нет) – слева электронов много, а справа – мало. Значит, они движутся слева направо. А в конце базы они попадают в область электрического поля коллекторного р-п перехода, которое вытягивает электроны из базы в коллектор.  Так как это поле велико, концентрация электронов в базе непосредственно у коллекторного р-п перехода практически равна нулю. Поэтому градиент концентрации электронов в базе очень велик – слева  их очень много, справа – почти нуль, а длина базы очень мала:

 
где n0  - концентрация электронов в базе слева (у эммитера), очень велика.        

 Поэтому  диффузионный ток очень велик. А дрейфого тока нет.         

 На самом  деле он есть, но очень маленький.  Действительно, напряжение к базе  прикладывается, но сбоку, и маленькое  (не больше одного вольта). А  напряжённость электрического поля  рассчитывается как отношение напряжения к расстоянию, на котором это напряжение прикладывается. В нашем случае расстояние – это толщина транзистора в направлении, перпендикулярном направлению диффузионного тока, и эта толщина в 10...1000 раз больше Lб. Поэтому дрейфовый ток существенно меньше диффузионного, второй маленький электронный ток на рис., который показан тоненькой линией, сворачивающей к базовому контакту.        

 Второй  маленький ток электронов –  это те электроны, которые встретились  в базе с дырками и рекомбинировали.  Дырки, необходимые для этого, могут притечь только из базового контакта, так как в коллекторе и в эмиттере их нет. Этот ток вначале обозначен минусом, а далее он встречается с дырочным током, который обозначен плюсом, и выходит из базового контакта (второй маленький точёк).        

 Третий  маленький ток – это диффузионный  ток дырок из базы в эмиттер.  Он гораздо меньше диффузионного  тока электронов (из эмиттера  в базу), потому что электронов  в эмиттере гораздо больше, чем  дырок в базе (напомним, что эмиттер  – наиболее сильно легированная область п-р-п транзистора). Это обозначено тоненьким дырочным током, который также может начаться только на базовом контакте, а заканчивается на эмиттерном контакте.        

 Итак, есть  три маленьких тока, которые неизбежно  должны проходить из базы в эмиттер: это дрейфовый ток электронов (мал по сравнению с диффузионным), ток рекомбинации (мал, потому что мала толщина базы) и дырочный ток диффузии (мал, потому что мала концентрация дырок в базе по сравнению с концентрацией электронов в эмиттере). И есть большой диффузионный ток электронов из эмиттера в базу, который идёт к коллекторному р-п переходу, и его электрическим полем протягивается в коллектор. Отношение коллекторного тока к базовому – это главный коэффициент, который показывает усилительные возможности транзистора:

 
Так как I к>>Iб , эта величина большая, т.е. транзистор усиливает ток. Обычно b составляет 10 – 300, в редких случаях (у очень широкополосных транзисторов) b может быть меньше (порядка 2...5), или больше, 5 000...10 000 у супербетатранзисторов.

 
         Итак, у транзистора ток базы  очень мал, поэтому ток эмиттера  практически весь преобразуется  в ток коллектора, и только  небольшая часть его преобразуется  в ток базы:

b связано с  a = Iк/Iэ формулой:

 
И наоборот:

Конечно, a очень близко к единице, но a <1.        

 Итак, понятно,  откуда берётся усиление в  транзисторе по току: если к  базе прикладывать маленький  ток, то в эмиттере и коллекторе  будут протекать токи, в b и b+1 раз большие.         

 Но в  электронике гораздо чаще используются  усилители по напряжению. Как  это получается?        

 Обычно  управляют транзистором, прикладывая  ток или напряжение к эмиттерному  р-п переходу, смещённому в прямом  направлении. При этом падение напряжения на нём не очень велико – порядка контактной разности потенциалов 0,6...0,7 В. А значит, переменная часть напряжения вообще лежит в пределах 0,1 В.        

 Выходной  ток, которым является ток коллектора, вообще не зависит от напряжения на коллекторе, если только оно нулевое или обратное (чтобы в коллекторном р-п переходе было тянущее поле). Поэтому если подключить коллектор к источнику напряжения через сопротивление, то ток Iк, протекающий через это сопротивление и зависящий только от напряжения на входе, будет выделять напряжение на этом сопротивлении, тем большее, чем больше сопротивление.         

 Ясно, что  максимальное выходное напряжение  равно напряжению источника Eп, которое может быть 5...15 В, или даже больше. Пусть Eп=10 В, тогда

В транзисторах типа n-p-n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящий через базу: в приборах типа p-n-p –это дырки , в приборах типа n-p-n –это электроны

Полупроводниковая структура транзистора типов p-n-p  и n-p-n Существуют три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), и общим коллектором (ОК). Различие в способах включения зависит от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ- эмиттер, в схеме ОК – коллектор.  

 В силу  того, что статические характеристики  транзистора в схемах ОЭ или  ОК примерно одинаковы, рассматриваются  характеристики только для двух способов включения : ОБ или ОЭ.

   
 

Схемы включения  транзисторов

а.) с общим  эмиттером; б) с общей базой; в) с  общим коллектором.    ИС — источник сигнала, подаваемого на вход транзистора, Uвх, Uвых — входное и выходное напряжения сигнала, Uбэ, Uбк, Uкэ — напряжения между базой и эмиттером, базой коллектором, коллектором и эмиттером, iб,iэ,iк- токи базы, эмиттера и коллектора, E1, Е2 — источники питания, С1, С2, — конденсаторы большой емкости, сопротивление которых для переменного сигнала является малым и через которые коллектор по переменному току замкнут, являясь в схеме общим.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список литературы:

1. Виноградов Ю.В. “Основы электронной и полупроводниковой техники”.

2. Ю.С. Забродин  “Промышленная электроника”

3. И.М. Викулин  “Физика полупроводниковых приборов”