1.1 Принцип работы транзистора

Для уяснения принципа действия транзистора как усили­теля электрических сигналов необходимо предварительно оз­накомиться со всеми подробностями физических явлений p–n–переходе.

Рисунок 1 – Структура и условные обозначение транзисторов n–p–nиp–n–pтипов

Транзистор представляет собой совокупность двух переходов, имеющих одну общую область р илип типа, полу­чившую название «базы» транзистора. При этом возможны два варианта реализации транзисторов, структурные схемы и условные обозначения которых представлены на рисунке 1. Не умаляя общности физических рассмотрений, а преследуя цель сокращения объема изложения, рассмотрим принцип действия транзистора на примере структурып–р–п.

Приступая к рассмотрению, целесообразно обратить внимание на три момента, весьма важных для дальнейшего изложения:

1. Толщина базы транзистора чрезвычайно мала (0,5-1 мкм), а концентрация в ней ловушек электронов (т. е. дырок) невелика.

2. Рассматривая принцип действия р–п– перехода, мы оперировали понятием «открытое состояние диода». В то же время согласно рисунку 2 следует, что при потенциалах менее 0,5Вможно говорить о частном (неполном) открытии диода. Таким образом, можно варьировать величину прямого тока, в зависимости от величины разности потенциалов, подводимой кр–п– переходу.

Рисунок 2 – К объяснению принципа эффекта усиления

3. Сопротивление открытого р–п–перехода по порядку величины составляет 0,1Ом, а закрытого – 100кОм. Рассмотрим электрическую цепь, представленную на рисунке 2, а. Принимая во внимание полярность подключения источника напряженияк транзистору можно заключить, что коллекторный переход будет закрыт (), а эмиттерный переход, казалось бы, открыт (). Однако, принимая во внимание величину напряжения на «открытом» эмиттерном переходе, равное, и характер начального участка ВАХ прямого тока (рисунок 2, а), следует, что и эмиттерный переход также практически будет закрыт.

Подключим теперь к базовой и эмиттерной клеммам транзистора источник напряжения с соблюдением полярности согласно рисунку 2, б. В этом случае напряжение на эмиттерном переходе будет поддерживаться источником на уровне(а не 10-5В), и он уже действительно будет открыт, причем величина тока, протекающего через него, будет определяться напряжением источникаЕ. Очевидно, что ток, протекающий через эмиттерный переход в базу, будет обусловлен свободными электронами, содержащимися вn-полупроводнике эмиттера. Проследим за дальнейшей судьбой этих электронов, проникающих в базовую область транзистора. Они могут устремиться к базовой клемме и тем самым создать круговой токчерез источник напряжения. Однако, есть и другой путь их дальнейшего перемещения. Поскольку толщина базы чрезвычайно мала, они могут успеть продиффундировать через нее к коллекторному переходу, не будучи захваченными ловушками (дырками)р-полупроводника базы. Электроны, достигшие границы коллекторного перехода со стороны базы, попадают в весьма благоприятные условия для дальнейшего перемещения к коллекторному выводу транзистора. Действительно, учитывая полярность включения источника, следует, что только собственным электронам коллектора (n-полупроводник) «запрещено» двигаться к базовому электроду, а посторонним, оказавшимся вдруг вр-полупроводнике базового слоя, плюсовая клемма источника на коллекторе благоприятствует перемещению к коллектору. Таким образом, чем меньше толщина базы, тем больше вероятность того, что электроны, проникающие из эмиттера в базу достигнут границы коллекторного перехода и тем самым не примут участия и базовом токе –. В современных транзисторах 99% электронов, инжектированных эмиттером, достигают коллекторного перехода и участвуют и создании коллекторного токачерез источник питания.

Рисунок 3 – Статические вольт-амперные характеристики биполярного

транзистора

Если принять за 100% величину тока, протекающего через эмиттер, то можно записать: ,.

Из этого соотношения непосредственно следует, что малые изменения величины напряжения приводят к значитель­ному изменению тока, а, следовательно, и. В данном случае можно сказать и так: что весьма малый ток«управляет» большим током. В этом и состоит сущность эффекта усиления электрических сигналов транзистором.

Поскольку в транзисторе имеют место два замкнутых кру­говых тока (,), то его состояние однозначно определяет­ся двумя семействами вольтамперных характеристик (ВАХ):

1. Входная ВАХ: при;

2. Выходная ВАХ: при.

Типичный вид входной и выходной ВАХ представлен на рисунке 3.

Выходная ВАХ разделяется на две области. Первая область (малых напряжений на коллекторе) характеризуется сильной зависимостью от. Эта область (насыщения транзистора) – нерабочая. Во второй области ток IК практи­чески не зависит от напряжения коллектора и область – рабочая.