Принцип работы транзистора

12.2. Содержание работы

Транзисторы используются в качестве основных элементов в усилителях и генераторах электрических колебаний.

Транзистор представляет собой полупроводник с двумя p-n -переходами. В зависимости от порядка, в котором чередуются области с различным типом проводимости, различают р-n-р- и n-р-n- транзисторы. Средняя часть транзистора (обладающая в зависимости от типа транзистора n- или p-проводимостью) называется его базой. Прилегающие к базе с обеих сторон области с иным, чем у нее, типом проводимости называют эмиттером и коллектором [1 - 3].

В основе работы транзистора лежит инжекция носителей тока. Рассмотрим р-n-переход, к которому приложена внешняя разность потенциалов в прямом (пропускном) направлении.

Под действием этой разности потенциалов дырки переходят из полупроводника р в полупроводник n, электроны из n- в р-, и в цепи возникает ток J, идущий слева направо. Дырки, перешедшие в полупроводник n, являются для него не основными носителями (основные носители в n- области - электроны; в р- области - дырки). Встречаясь с электронами, они рекомбинируют. Точно так же электроны, перешедшие в полупроводник р, являются для него неосновными носителями, которые в конце концов рекомбинируют с дырками. Так как процесс рекомбинации носителей тока протекает не мгновенно, то у границы p-n-перехода происходит накопление неосновных носителей: в электронном полупроводнике - накопление дырок, в дырочном полупроводнике - электронов. Происходит, как бы, "впрыскивание" электронов в граничный слой полупроводника р и дырок в граничный слой полупроводника n. Поэтому это явление получило название инжекции носителей.

По мере удаления от границы p-n-перехода, происходит все более полная рекомбинация неосновных носителей, вследствие чего их концентрация непрерывно уменьшается (рис. 12.1). Уравнение, описывающее изменение концентрации неосновных носителей, имеет вид


где N₀ - концентрация неосновных носителей тока на границе р-n-перехода;
τ - среднее время жизни носителей.

За время τ неосновные носители успевают продиффундировать от границы p-n-перехода внутрь полупроводника на расстоянии L , которое называется диффузионной длиной. Значение L весьма различно для полупроводников различной природы и сильно зависит от количества примесей и других несовершенств решетки полупроводника. Для очень чистого германия L превышает 1 мм, для германия, легированного примесями, L измеряется десятыми долями миллиметра.


Рассмотрим принцип работы транзистора типа n-p-n. Он состоит из двух n-областей, между которыми заключена p-область полупроводника (рис. 12.2). С помощью металлических электродов транзистор включается в цепь (рис. 12.3, а).
Здесь Б_Э и Б_С - источники питания, И – источник сигнала, R - нагрузочное сопротивление.

При таком включении левая п-область заряжается относительно средней p-области отрицательно, правая - положительно. Из рис. 12.3, б видно, что к левому эмиттерному р-n-переходу внешнее напряжение U_э приложено в прямом направлении. Поэтому энергетический барьер для электронов, переходящих из эммитера в базу, понижен на еU_э, и оказывается равным е(U_к-U_э). К коллекторному р-n-переходу внешнее напряжение U_c приложено в запорном направлении, вследствие чего энергетический барьер для электронов, идущих из коллектора в базу, повышается на еU_c и становится равным е(U_к + U_c).


В эмиттерной области, обладающей n-проводимостью, ток создается, в основном, потоком электронов, которые являются основными носителями. В р-n-переходе эти электроны инжектируются в базовую область и в качестве неосновных носителей диффундируют к коллектору. Если толщина базы значительно меньше диффузионной длины электронов, то почти все электроны, впрыснутые в базовую область, достигают коллектора. Входя в коллектор в  коллектор в качестве основных носителей, они сильно увеличивают его ток, который в отсутствие инжектированных электронов равнялся бы просто току насыщения р-n-перехода, включенного в запорном направлении, и был бы весьма мал.

Вследствие того что коллекторный р-n-переход включен в запорном направлении, его сопротивление велико. Это позволяет включать в цепь коллектора высокое нагрузочное сопротивление R. При подаче на эмиттерный р-n-переход незначительного напряжения от источника сигнала ток в цепи коллектора сильно меняется, на нагрузочном сопротивлении возникает большое напряжение. Поэтому такое устройство будет работать как усилитель.

Существуют три схемы включения транзисторов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Для каждой из этих схем существуют свои входные и выходные статические характеристики. Статическими характеристиками транзистора называют кривые, выражающие зависимость между постоянными напряжениями и токами различных электродов транзистора. В лабораторной работе использована схема включения транзистора с общим эмиттером.

Входная статическая характеристика транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляет собой зависимость тока базы от напряжения между эмиттером и базой при постоянном значении напряжения, приложенного между эмиттером и коллектором (рис.12.4, а):


Выходная статическая характеристика транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы (рис. 12.4, б):



Для расчета и анализа схем на транзисторах пользуются следующими параметрами.
1) Входное сопротивление (при различных J_б):


где ∆U_б - изменение напряжения между эмиттером и базой;
∆J_б - соответствующее изменение тока.


2) Выходное сопротивление (при различных U_к):


где ∆U_к – изменение напряжения между коллектором и эмиттером;
∆J_к - соответствующее изменение тока.

3) Коэффициент усиления по току при постоянном напряжении между эмиттером и коллектором:


4) Коэффициент усиления по напряжению при постоянном токе базы:


5) Коэффициент усиления по мощности: