Транзисторы. Классификация и принцип работы (и шпаргалка).

    Транзисторы подразделяют на две большие подгруппы - биполярные и полевые. Они обычно используются для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В 1956 г. за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

     Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n -переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и элект­ронов), а управление протекающим через него током осу­ществляется с помощью управляющего тока.

    Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.

    Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (р-n-р или n-р-n) и соответственно два p-n -перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

    Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод на­зывают эмиттером, а другой крайний слой и соответству­ющий вывод — коллектором.

    Дадим схематическое, упрощенное изображение струк­туры транзистора типа n-р-n (рис. 1, а) и два допусти­мых варианта условного графического обозначения (рис. 1, б). Транзистор типа р-n-р устроен аналогично. При этом "стрелочка" эмиттера будет напрвлена в противоположном направлении - в сторону базы. Стрелки эмиттеров показывают направление токов через транзистор.

Рис. 1. Cхематическое изображение струк­туры транзистора

    Транзистор называют биполярным, так как  в процессе протекания электрического тока участвуют носители элект­ричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

    Транзисторы типа n-р-n более распространены в сравнении с транзисторами типа р-n-р, так как обычно имеют луч­шие параметры. Это объясняется следующим образом: ос­новную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-р-n играют электроны, а в транзисторах р-n-р — дыр­ки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

    Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

    Количественное своеобразие структуры транзистора. Для определенности обратимся к транзистору типа n-р-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

    Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n -перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 2, а.

    Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n -переходы транзисто­ра сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Имен­но это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 2, б).

Рис.2. Структура транзистора.

    В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

    Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора. Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает ка­чественное своеобразие транзистора.

    Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устрой­ства, обладающего новым качеством: особым образом со­единяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента.

    Основные физические процессы. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концен­трация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее. С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 3). Тогда через эмиттерный переход потечет ток I_э, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Рис.3. Физические процессы в транзисторе.

    Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы i_э. Из изложенного следует, что i_б « i_э.

    Обратное смещение коллекторного перехода способ­ствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захваты­ваются электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. В то же время это поле препятствует переходу электронов из коллектора в базу. Ток коллектора i_K лишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. i_K= i_Э.

    Более точно:

i_K= а_ст i_{Э  +}   I_{ко ,}

    где а_ст — так называемый статический коэффициент передачи эмиттерного тока (термин статический подчеркивает тот факт, что этот коэффициент связывает по­стоянные токи); I_ко — так называемый обратный ток коллектора. Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода (т. е. тока диода, включенного в об­ратном направлении). Ток  I_ко протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю.

    Работа транзистора. Поскольку биполярные транзисторы состоят из двух p-n -переходов, то проверку целостности транзистора можно осуществить, контролируя сопротивление этих переходов при прямом и обрат­ном подключении напряжения к ним. Транзистор n-р-n проверяется по сопротивлениям переходов.

    Для нормальной работы n-р-n -транзистора требуется положительное напряжение на коллектор. Базовый переход открывается положительным напряжением. Базовый ток вызывает появление коллекторного тока (рис. 4, а). При отрицательном напряжении в базе транзистор закрывается. Если плавно менять напряжение U_б, то ток I_б меняется, как показано на рис. 4, б. Если дискретно задавать значения I_б1, I_б2 и т.д. и плавно менять напряжение U_K, то получим семейство коллекторных (выходных) характеристик (рис. 4, в).

    Для нормаль­ной работы р-n-p -транзистора требуется отрицательное напряжение на коллекторе. Открывается базовый переход отрицательным напряжением (рис. 4, г). При положительном напряжении в базе транзистор закрывается. Если плавно менять напряжение U_б, то ток I_б меняется, как показано на рис. 4, д. Если дискретно задавать значении I_б1, I_б2 и т. д. и плавно менять напряжение U_K, то получим семейство кол­лекторных (выходных) характеристик (рис. 4, е).

Рис. 4. Входные и выходные характеристики транзисторов.

    В усилительных схемах транзисторы могут применяться в двух режимах: в схеме с обшей базой (рис. 5, а) и в схеме с обшим эмиттером (рис. 5, б). Во входной цепи, кроме источника постоянного напря­жения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменно­го напряжения. Изобразим две характерные схемы вклю­чения транзистора.

.

Рис. 5. Схемы включения транзистора.

• Схема с общей базой (ОБ) (рис. 5.а). Если сопротивле­ние нагрузки достаточно велико, то амплитуда перемен­ной составляющей напряжения и_ых значительно больше амплитуды напряжения и_вх. Учитывая, что i_вых = i_вх, можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы доста­точно большой, а соответствующее входное сопротивле­ние малое.
• Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 5.б). Так как i_вых » i_вх, а при достаточно большом сопротивлении R_н, амплитуда переменной составляющей напряжения и_вых зна­чительно больше амплитуды напряжения и_вх, следователь­но, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.
• Схема с общим коллектором (ОК) эквивалентна схеме с обшим эмиттером и по-этому не нашла широкого применения (за исключением эмиттерных повторителей). Само напряжение и_бэ и особенно переменная состав­ляющая этого напряжения достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения и_вх примерно равна амплитуде переменной составляющей на­пряжения и_вых. В соответствии с этим усилительные кас­кады, в которых транзисторы включены по схеме с общим коллектором, называют эмиттерными повторителями. Учитывая также, что i_вx « i_вых, отмечают, что схема уси­ливает ток, но не усиливает напряжение.

    Схема усилителя с общим эмиттером наиболее часто используется на практике, т.к. она обеспечивает усиление по напряжению и току, хорошо каскадируется, т.е. обеспечивает согласование входного сопротивления последующего каскада с выходным сопротивлением предыдущего каскада.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

    Полевым или униполярным транзистором называется транзистор, в котором управление происходит под действием электрического поля перпендикулярного току. На схемах их обозначают, как показано на рисунке ниже:

,

где: З- затвор, И- исток, С- сток.

    Проводящий слой, по которому протекает ток, называется каналом. Различают р- и n-канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными, горизонтальными и вертикальными. Пример полевого транзистора с n - p переходом и n- каналом приведен на рис. 6.

Рис. 6. Полевой транзистор: а -конструкция транзистора; б- структура кристалла.

    В свою очередь приповерхностные каналы делятся на обогащенные или обедненные но­сителями, либо инверсионные слои. Их формирует внешнее электрическое поле. Обед­ненные каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

    На рис. 7 приведены схемы каналов в полевых транзисторах. Транзисторы с при­поверхностным каналом имеют структуру металл диэлектрик полупроводник (МДП). Такие транзисторы принято называть МДП-транзисторами. Если диэлектриком является диоксид кремния SiO₂, то используется название МОП-транзисторы. Транзисторы с объ­емным каналом получили название полевых транзисторов.

Рис. 7. Каналы в униполярных транзисторах: 

а- приповерхностный n- канал; 

б- объемный p- канал, 

1 — обедненный слой.

    Таким образом, работа полевого транзистора представляется следующим образом: сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током (рис.8). 

Рис. 9. Принцип действия полевого и биполярного транзисторов.

    Поэтому ВАХ полевого транзистора обратно эквивалентна ВАХ биполярного. Более наглядно это показано на рисунке 9. При увеличении значения Uзи происходит постепенное закрытие проводящего канала.

Рис. 9. Сравнительная выходная ВАХ полевого (а) и биполярного (б) транзисторов.

    Краткое описание транзисторов, диаграммы, схемы включения и h-параметры можно скачать здесь Транзисторы Биполярные и Полевые (шпаргалка и h-параметры).doc (431 kB)