Однопереходный транзистор

Однопереходный транзистор (ОПТ, двухбазовый диод) представляет собой полупроводниковый прибор с одним p-n -переходом, ВАХ которого имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления [30], [38].

Конструктивно однопереходный транзистор выполнен в виде пластины полупроводникового материала, на концах которой расположены омические (невыпрямляющие) контакты Б₁ и Б₂, примыкающие к слаболегированным базовым областям (базам) одноименного названия, а на боковой стороне – один p-n -переход (рис. 4.15, а). Контакт эмиттера Э установлен на эмиттерную область р- типа. Управление током транзистора производится подачей напряжения
U _вх = U _эб1 = U _э на вход ОПТ между контактами Э и Б₁.

Обычно длина l ₁ базы Б₁ значительно меньше, чем длина l ₂ базы Б₂, т.е. l ₂ >> l ₁. Формально можно считать, что в объеме баз транзистора между контактами Б₁ и Б₂ расположены два резистора R ₁ и R ₂, причем R ₂ >> R ₁ (рис. 4.15, а).

а) б) в)

Рис. 4.15. Структура (а), УГО (б) и ВАХ (в) однопереходного транзистора

Также, как и в случаях с биполярными и полевыми транзисторами, для оптимальной работы ОПТ в различных режимах между контактами прибора Э, Б₁, Б₂ необходимо подать определенные постоянные напряжения.

Рассмотрим работу ОПТ в так называемом ключевом режиме, при котором транзистор может быть открыт или закрыт с помощью сигнала на входе транзистора, т.е. напряжением U _вх = U _эб1 º U _э между контактами Э и Б₁. При открытом транзисторе (говорится, что транзистор как ²ключ² - замкнут) через него протекает большой эмиттерный ток при малом сопротивлении прибора, при закрытом транзисторе (²ключ² разомкнут) - эмиттерный ток бесконечно мал из-за большого сопротивления прибора.

Рассмотрим предварительное состояние ОПТ при условии, что U _бб = 0.

Увеличивая входное напряжение U _вх = U _э > 0, мы создаем условия, при которых к контакту Э, а, значит, и к р -области эмиттера, приложен положительный потенциал. Очевидно, что эмиттерный р – n -переход- прямо смещенный, и, значит, входной ток I _э при возрастании U _эб увеличивается по зависимости, близкой к экспоненциальной (рис. 4.15, б).

Соединим выводы Б₂ и Б₁ прибора с источником напряжения U _бб так, что на контакте Б₂ - положительный полюс источника, и подадим на между контактами баз Б₂ и Б₁ напряжение U _бб > 0 (рис. 4.15, б).

Пусть первоначально входное напряжение равно U _э = 0 (рис. 4.15, в, точка 1 на ВАХ). Поскольку U _бб > 0, то за счет незначительного тока, протекающего между контактами Б₂ и Б₁ через объем кристалла, на ²резисторах² R ₂ и R ₁ (рис. 4.15, а) возникает падение напряжения, причем D U_{R 2} >> D U_{R 1} = +D U _вн.

Другими словами, в объеме n -области базы (рис. 4.15, а, например, область объема А около эмиттерного p-n -перехода) имеется положительный потенциал j₁. по отношению к заземленной базе Б₁.

Поскольку мы рассматриваем режим, при котором потенциал контакта Э равен нулю, то, очевидно, что эмиттерный p-n- переход включен в обратном направлении ²внутренним² напряжением D U _вн > 0. Через этот переход протекает межбазовый ток I _бб - небольшой ток обратно смещенного перехода, равный I _эб| _{U э<0} = - I _э0 (рис 4.15, б, точка 1 на ВАХ). Этот ток также вызывает падение напряжения в объеме кристалла полупроводника (D U_{R 2} ¹ D U_{R 1}), которое распределяются пропорционально величине резисторов R ₁ и R ₂.

Не изменяя напряжения U _бб > 0, увеличим напряжение входного сигнала U _вх = U _эб такой полярности, что на контакте Э эмиттера будет ²+² потенциал. Очевидно, что p-n- переход будет закрыт до тех пор, пока он не будет смещен в прямом направлении при условии U _э = U _вх = U _эб > D U _вн.

По мере увеличения напряжения входного сигнала (полярность указана на рис. 4.15, а) p-n- переход, первоначально закрытый, начинает приоткрываться, и величина обратного тока "эмиттер – база" I _э уменьшается (по модулю) от значения - I _э0 до 0, так как ²прямое² напряжение U _э направлено встречно ²обратному² напряжению ∆ U _вн. Поэтому по мере увеличения входного напряжения при некотором значении U _э (точка 2 на ВАХ) ток I _э становится равным нулю (рис. 4.15, в).

При дальнейшем увеличении входного напряжения, как только выполняется условие | U _эб1| > | D U _вн|, p-n- переход смещается в прямом направлении, и ток в цепи "эмиттер – база Б₁" становится положительным. Потенциальный барьер p-n- перехода понижается, и начинается интенсивный переход (инжекция) неосновных носителей заряда – дырок в область базы Б₁.(точка 3 на ВАХ).

При этом развивается регенеративный (лавинообразный) процесс, проявляющийся в следующем. Увеличение концентрации носителей заряда в объеме базы Б₁ приводит к уменьшению сопротивления R _б1 этой области. Заметим, что теперь через объем кристалла (базы Б₁ и Б₂) фактически протекает большой ток I _э. Следовательно, внутреннее падение напряжения, обусловленное током через кристалл I _э и равное D U _вн = I _э R ₁, уменьшается при интенсивном снижении сопротивления базы Б₁. По мере уменьшения значения D U _вн и возрастании U _вх происходит увеличение разности напряжений
(U _вх - D U _вн) > 0, обеспечивая еще больший переход (инжекцию) дырок в объем базы Б₁. Инжекция дырок необратимо и лавинообразно возрастает, ток эмиттера возрастает, но ограничивается резистором R _э во входной электрической цепи (рис. 4.15, а). При некотором напряжении U _вх = U _вкл за счет резкого увеличения проводимости баз Б₁ и Б₂, ток через внешнюю нагрузку R _н скачком возрастает до величины I _э при соответствующем напряжении U _эб на входе транзистора (рис. 4.15, в, точка 4 на ВАЗ).

Дальнейшее увеличение напряжения U _э будет приводить к плавному увеличению тока уже открытого транзистора.

Как видно, регенеративный процесс приводит к появлению участка вольтамперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок II).

Для закрытия транзистора необходимо уменьшать напряжение U _эб до тех пор, пока ток I _э не упадет до величины I _выкл (рис. 4.15, точка 5 на ВАХ): при этом за счет уменьшения силы тока количество дырок, переходящих через p-n- переход уменьшается, и, соответственно, объем кристалла в области базы Б₁ обедняется неосновными носителями заряда (дырками). По мере рекомбинации ранее инжектированных дырок сопротивление кристалла в области базы Б₁ резко возрастает, и наступает обратный регенерационный процесс возвращения открытого транзистора в закрытое состояние.

Ранее были описаны свойства диода Ганна и туннельного диода (главы 1, 2), которые характеризуются ВАХ N -образного типа. В отличие от этих приборов, ОПТ – это полупроводниковый прибор с нелинейной ВАХ эмиттерной цепи S -образного типа.

ОПТ получили распространение в схемах управления тиристорами, в импульсных схемах для построения генераторов, преобразователей сигналов и т. п. С детальными сведениями об обозначениях полупроводниковых транзисторов, их параметрами и характеристиками следует ознакомиться при изучении справочников, например, [25], [26].