Короткі теоретичні відомості

Транзистором називається напівпровідниковий перетворювальний прилад, що має не менше трьох виводів і здатний підсилювати потужність. Класифікація транзисторів проводиться за наступними ознаками:

– за матеріалом напівпровідника: переважно германієві або кремнієві;

– за типом провідності областей (тільки біполярні транзистори): з прямою провідністю (p-n-p структури) або із зворотною провідністю (n-p-n структури);

– за принципом дії транзистори поділяються на біполярні і польові (уніполярні);

– за частотними властивостями: низькочастотні НЧ (<3 МГц); середньої частоти СРЧ (3 – 30 МГц); високочастотні ВЧ і надвисокочастотні НВЧ (>30 МГц);

– за потужністю: малопотужні транзистори (<0,3 Вт), середньої потужності (0,3 – 3 Вт), потужні (>3 Вт).

Основою біполярного транзистора (рис. 1) є кристал напівпровідника
p-типу або n-типу провідності, який також, як і вивід від нього, називається базою. Дифузією домішки або сплавом з двох сторін від бази утворюються області з протилежним до бази типом провідності. Область, що має велику площу p-n переходу і вивід від неї називають колектором. Область, що має меншу площу p-n переходу і вивід від неї називають емітером. p-n перехід між колектором і базою називають колекторним переходом, а між емітером і базою – емітерним переходом.

Рис. 1. Схеми та позначення біполярних транзисторів

Напрям стрілки в транзисторі показує напрям струму, що протікає через нього. Основною особливістю будови біполярних транзисторів є нерівномірність концентрації основних носіїв зарядів в емітері, базі та колекторі. В емітері концентрація носіїв заряду – максимальна, у колекторі – дещо менша, ніж в емітері, у базі – у багато разів менша, ніж в емітері і колекторі.

Найпростіша одномірна модель біполярного транзистора подана на рис. 2 а. В цій моделі p-n переходи вважаються плоскими, а носії рухаються тільки в одному напрямку – вздовж осі, яка перпендикулярна до переходів. Штрихуванням показані збіднені шари p-n переходів; відстань між ними дає фізичну товщину бази , а відстань між границями – технологічну товщину бази . Енергетичну діаграму для одномірної моделі в стані рівноваги (за нульової напруги на переходах) показано на рис. 2 б. Вона є сполученням енергетичних діаграм р-n переходів. Зрівноважена система характеризується єдиним рівнем Фермі . На границі емітера і бази утвориться енергетичний бар'єр висотою , а на границі бази з колектором – бар'єр висотою . Невелике скривлення границь енергетичних зон у базі (різниця енергій на границях бази еВ) обумовлено внутрішнім електричним полем у базі, що виникає внаслідок нерівномірного розподілу акцепторів. Їхня концентрація на границі бази з емітерним переходом є значно вищою за концентрацію на границі з колекторним переходом. Такий розподіл домішок характерний для більшості транзисторів.

Рис. 2. Схема енергетичних зон транзистора

В активному режимі, який є основним для підсилювальних схем, на емітерний перехід подається пряма напруга, а на колекторний – зворотна. Потенційний бар'єр емітерного переходу зменшується на значення прямої напруги , що приводить до інжекції електронів з емітера в базу. Основне призначення емітера (що й відображено в його назві) – забезпечити максимально можливу, при даному прямому струмі, однобічну інжекцію електронів у базу. Для того концентрація донорів у емітері на границі з переходом повинна бути значно більшою за концентрацію акцепторів у базі: . Електрони, інжектовані у базу, рухаються до колекторного переходу. Цей рух є сукупністю дифузії і дрейфу. Дифузійний рух обумовлений підвищеною, внаслідок інжекції, концентрацією електронів в базі біля емітерного переходу, тоді як біля колекторного переходу вона мала через екстракцію полем цього переходу. Дифузія притаманна всім типам транзисторів. Дрейфовий рух викликається внутрішнім електричним полем у базі.

Транзистори з неоднорідною легованою базою, у якій переважає дрейфовий рух називають дрейфовими. Менш поширені бездрейфові транзистори з однорідною легованою базою, у якій немає внутрішнього електричного поля. Частина електронів, інжектованих у базу не доходить до колекторного переходу внаслідок рекомбінації. Однак їхнє число невелике, тому що товщина бази мала, порівняно з дифузійною довжиною електронів. Електрони, які досягають колекторного переходу, втягуються в нього електричним полем і перекидаються в колектор. Таким чином, в активному режимі колектор збирає (колектує) інжектовані в базу електрони, що й відбито в його назві.

В активному режимі струми колектора і емітера майже однакові, а їх різниця дорівнює струму бази. Колекторний струм практично не залежить від напруги на колекторному переході, оскільки за будь-якої зворотної напруги всі електрони, які досягають у базі колекторного переходу, потрапляють у його поле, прискорюються і несуться в колектор. Тому, диференціальний опір колекторного переходу (), дуже великий, що характерно для
p-n переходів, ввімкнених у зворотному напрямку. У схему колектора можна ввімкнути навантажувальний резистор з досить великим опором , без істотного зменшення колекторного струму. У той же час, диференціальний опір емітерного переходу (), ввімкненого в прямому напрямку, дуже малий (). При збільшенні емітерного (вхідного) струму на , колекторний струм зростає приблизно на те ж значення (). Зміна потужності , споживаної в колі емітера, може бути на багато меншою за зміну потужності , що виділяється у навантаженні. Електрична схема, яка містить транзистор, джерело живлення і навантажувальний резистор здатна підсилювати потужність електричного сигналу (), причому, коефіцієнт підсилення по потужності визначається як .

Схеми вмикання транзистора подані на рис. 3. У схемі зі спільною базою (СБ) (рис. 3 а), напруги на емітері і колекторі відраховуються щодо баз спільного електрода для вхідної (емітерної) і вихідної (колекторної) ланок. Ця схема має підсилення по потужності і напрузі (), але не забезпечує підсилення струму () і характеризується малим вхідним опором (рівним опору емітерного переходу при прямій напрузі).

Найбільш широко застосовується схема зі спільним емітером (рис. 3 б) (СЕ), у якій напруга на базі і колекторі відраховується відносно емітерного електрода, спільного для вхідних (базових) і вихідних (колекторних) ланок. Оскільки (), то ця схема забезпечує підсилення струму () і напруги ().

У схемі із спільним колектором (СК) (рис. 3 в), напруги на базі і емітері відраховуються відносно колектора – спільного електрода для вхідних (базових) і вихідних (емітерних) ланок. Оскільки , то ця схема забезпечує підсилення струму (), приблизно так, як і схема із СЕ. На відміну від схеми з СЕ, схема із СК не забезпечує підсилення напруги. Її перевагою є великий вхідний опір, що зростає при збільшенні опору навантажувального резистора у ланці емітера.

Рис. 3. Схеми вмикання транзистора

Незалежно від схеми вмикання транзистор може працювати в одному з чотирьох режимів, які відрізняються полярністю напруги на р-n переходах. В активному режимі, що коротко розглянутий вище – напруга на емітерному переході пряма, а на колекторному – зворотна. У режимі насичення обидва переходи ввімкнені у прямому напрямку, а в режимі відсічення – у зворотному. В інверсному режимі напруга на колекторному переході пряма, а на емітерному – зворотна.