3.4. Транзисторы.

Существуют два вида транзисторов: биполярные и униполярные (полевые). Биполярные транзисторы называются так потому, что для нормальной работы этих полупроводниковых приборов необходимо иметь одновременно два типа носителей зарядов: электроны и дырки. Для работы униполярных транзисторов достаточно одного типа носителей.

3.4.1. Биполярные транзисторы. Основные физические процессы.

Рис.3.4.1. Схематическое изображение транзистора p – n – p структуры.

Э – эмиттер; Б – база;  К – коллектор.

Транзистор состоит из трёх областей полупроводника и имеет два p – n перехода. Транзистор, в котором крайние области обладают проводимостью p – типа, а средняя область – электропроводностью n – типа, называют транзистором структуры p – n – p.

Если же крайние области являются полупроводниками n – типа, а средняя – областью p – типа, то такой транзистор называют транзистором структуры n – p – n.

Среднюю область пластинки биполярного транзистора называют базой, одну из крайних областей – эмиттером (что означает – поставщик носителей тока), вторую крайнюю область называют коллектором (что означает – собиратель носителей тока). Обычно эмиттер меньше коллектора, чтобы коллектор имел возможность собрать все носители заряда, уходящие из эмиттера.

Рис.3.4.2. Схематическое изображение разреза кристалла сплавного транзистора.

К – коллектор, Б – база, Э – эмиттер.

1 – вывод коллектора; 2 – коллекторный p – n переход; 3 – вывод эмиттера; 4 – эмиттерный p – n переход; 5 – вывод базы.

Переход между эмиттером и базой называют эмиттерным p – n переходом, а между коллектором и базой – коллекторным p – n переходом. Ток, протекающий через вывод эмиттера и эмиттерный переход называют током эмиттера (I_э или I_E), ток через вывод коллектора и коллекторный переход – током коллектора (I_к или I_c), ток через вывод базы – током базы (I_б или I_B). Для того чтобы транзистор усиливал электрические сигналы, нужно к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение, а к коллекторному – обратное напряжение. Транзистор можно рассматривать, как два полупроводниковых диода, имеющих одну общую область – базу. Если напряжение подавать только на коллекторный переход (внешнее напряжение будет при этом усиливать внутреннее поле коллекторного перехода), ток будет течь лишь через коллекторный переход; величина его небольшая, т.к. он образован неосновными носителями. Этот ток называют обратным током коллектора (I_ко или I_cBo). Его значение зависит только от температуры. Эмиттерный переход находится в состоянии динамического равновесия, т.е. диффузионный ток уравновешивается током проводимости. Если к эмиттерному переходу подключить прямое напряжение, внутреннее поле перехода уменьшается, а через переход потечёт прямой ток (диффузионный). Этот ток обусловлен проникновением дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Хотя потоки противоположных по знаку основных носителей зарядов направлены навстречу друг другу, но токи, создаваемые ими, будут иметь одинаковое направление. Обычно концентрацию примеси в эмиттере делают значительно выше, чем в базе. Когда области различных типов проводимости имеют разные концентрации примесей, диффузионный ток будет определяться главным образом основными носителями той области, в которой концентрация примесей больше. Для нашего случая (в эмиттере значительно больше примесей, чем в базе) прямой ток через эмиттерный переход будет определяться в основном дырками. Условно представить токи транзистора можно следующим рисунком:

Рис.3.4.3. Условное представление токов транзистора.

I_к = α·I_э + I_ко, где α – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общей базой. α всегда меньше 1 и обычно равно 0,95 – 0,99. Т.к. α·I_э >> I_ко, то значением I_ко можно пренебречь и тогда α =  .

Рис.3.4.4. Условные графические обозначения биполярных транзисторов на схемах.

а – транзистор структуры p – n – p;

б – транзистор структуры n – p – n;

в –   p – n – p транзистор с коллектором, соединённым с корпусом;

г – транзистор p – n – p c выводом корпуса;

д – лавинный транзистор;

е – однопереходной транзистор с n базой.

Условное обозначение транзистора на схеме содержит обозначения базы, эмиттера и коллектора. Базу транзистора обозначают короткой чёрточкой, эмиттер – наклонной линией со стрелкой. Для транзистора структуры p – n – p стрелка направлена к изображению базы, а для транзистора структуры

n – p –n – от базы. Кружок на схеме является символом корпуса транзистора. Кружок не ставят, если транзистор без корпуса (например, если транзистор входит в состав интегральной или гибридной микросхемы). Один из электродов транзистора нередко соединяется с металлическим корпусом (чаще всего коллектор). На условном обозначении это обозначается жирной точкой в том месте, где вывод электрода пересекается с символом корпуса (рис.3..4.4,в). Если же корпус транзистора имеет самостоятельный вывод, то его обозначают как на рис.3.4.4,г. В изображении лавинного транзистора используется дополнительный знак – прямой уголок, который ставится между эмиттером и коллектором. Своеобразное условное обозначение однопереходного транзистора, который имеет особую структуру: у него всего один p – n переход (эмиттерный). Но у его базы два вывода – по обе стороны от p – n перехода. Символ эмиттера однопереходного транзистора направлен под углом к середине символа базы, а выводы от неё (база 1 и база 2) смещены к краям (рис.3.4.4,д). На этом рисунке изображено условное графическое изображение однопереходного транзистора с n – базой.

3.4.1. Схемы включения транзисторов.

Транзистор имеет три электрода: эмиттер, базу и коллектор. На вход транзистора подводится входной сигнал, а с выхода снимается выходной. Для подачи входного сигнала нужны два электрода, а для снятия – ещё два. Так как электродов у транзистора три, то один из них делают общим для входного и выходного сигналов. В зависимости от того, какой электрод транзистора будет общим, различают три основных схемы включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

в

Рис. 3.4.5. Схемы включения транзисторов.

а – с общей базой;

б – с общим эмиттером;

в – с общим коллектором.

В схеме с общей базой токи входного и выходного сигналов проходят через базу транзистора. Входным электродом здесь является эмиттер, а выходным – коллектор.

В схеме с ОК (часто эту схему называют «эмиттерный повторитель») токи входного и выходного сигналов проходят через коллектор транзистора. Входным электродом является база, а выходным -  эмиттер.

К наиболее важным параметрам, характеризующим свойства транзистора, относятся:

- коэффициент усиления по току в схеме с ОБ – α;

- коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером – β;

- обратный ток коллектора Iко;

- наибольшая рассеиваемая мощность Pмакс;

- наибольшее напряжение коллектор – эмиттер Uкэ макс;

- наибольший ток коллектора (эмиттера) – Iк макс (Iэ макс);

- предельная частота усиления по току в схеме общей базой – fα;

- диапазон рабочих температур.

В соответствии с классификацией по мощности транзисторы делятся на три группы:

- транзисторы малой мощности – с мощностью рассеяния не более 0,3 Вт;

- средней мощности – 0,3 – 1,5 Вт;

- большой мощности – более 1,5 Вт.

По частоте транзисторы подразделяются на группы:

- низкочастотные – с предельной частотой усиления по току не более 3 МГц;

- среднечастотные – с предельной частотой от 3-х до 30 МГц;

- высокочастотные – более 30 МГц.

При применении транзисторов следует придерживаться следующих правил:

1. Для обеспечения надёжной работы рабочее напряжение, токи и мощность рассеяния должны быть ниже предельных значений.
2. Нельзя подавать напряжение на транзистор, базовый вывод которого отключён.
3. Базовый вывод транзистора подключается первым, а отключается последним.