Полупроводниковые диоды и транзисторы

Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, обладающий односторонней проводимостью. В основе его конструкции лежит равновесный р - n переход. По характеру образования перехода диоды делятся на точечные и плоскостные.

Для преобразования, усиления и генерирования электрических колебаний широкое применение нашли полупроводниковые триоды – транзисторы. Для работы транзистора необходимо иметь два электронно-дырочных перехода, в качестве полупроводника часто используется германий.

В транзисторах, использующих n-р-n переход, полупроводник р -типанаходится между полупроводниками n -типа, Устройство плоскостного биполярного транзистора показано на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. Принцип устройства транзистора и изображение транзисторов на схемах.

В данном транзисторе n-р-n типа имеется средняя область с дырочной проводимостью, и две крайние области с электронной проводимостью. Средняя область транзистора называется - базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеется два n-р перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный - между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием для хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. На схематических изображениях транзисторов стрелка показывает направление тока (условное, от плюса к минусу) в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Рассмотрим работу транзистора в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е₁ и Е₂ (рис 2.8).

Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллеткторного перехода велико, и напряжение Е₂ обычно составляет единицы или десятки вольт.

Рис. 2.8. Движение электронов и дырок в транзисторе n-р-n типа.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база – эмиттер, существенно влияет на ток коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение между базой и эмиттером Е₁, 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 Е₁ понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера i _э. 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 кружочками со знаками «+» и «–». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, т.е. втягивает электроны в область коллекторного 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 коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе 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 полюсу источника Е₁ такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов.

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.

Под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать 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 больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т.е. ток коллектора i_к.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но на транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем мощность, 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 одинаковыми (транзисторы в таком случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа n-p-n. Подобные же процессы происходят и в транзисторе типа p-n-p, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений и направления токов.

Наиболее распространены три способа включения транзисторов:

- схема с общей базой, когда вход эмиттера и выход коллектора

подключены к общей базе;

- в схеме с общем эмиттером выходная цепь коллектора

подключается к эмиттеру вместо базы;

- схема с общим коллектором, иначе называемая эмиттернымповторилем.

Вывод: 1. Наличие примесей в полупроводниках обуславливает нарушение равенства между количеством дырок и электронов, и электрический ток будет создан преимущественно зарядами одного знака в зависимости оттого, что преобладает в полупроводнике.

2. В основе конструкции любого полупроводникового прибора лежат равновесные р - n переходы.