НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ




предыдущая главасодержаниеследующая глава

§ 28. Транзисторы

В отличие от полупроводниковых диодов транзисторы представляют собой полупроводниковые системы, состоящие уже из трех областей, разделенных между собой двумя p-n-переходами. Каждая из областей имеет свой вывод. Поэтому по аналогии с вакуумными триодами транзисторы часто называют полупроводниковыми триодами. И по назначению транзисторы аналогичны вакуумным триодам: основная область их использования - усиление электрических сигналов по напряжению и по мощности.

Для получения транзисторов в полупроводниковую монокристаллическую пластинку с определенным типом проводимости на двух ее противоположных гранях осуществляют вплавление или диффузионное проникновение примеси, сообщающей приповерхностным областям проводимость противоположного типа. Можно создать транзистор как p-n-p-типа, так и n-p-n-типа. Принципиальной разницы между ними нет. Просто главную роль в транзисторах p-n-p-типа играют дырки, а в транзисторах n-p-n-типа - электроны. Мы рассмотрим транзистор p-n-p-типа.

Плоскостной транзистор p-n-типа. Общий вид транзистора, полученного на основе германиевой пластинки n-типа, в которую с двух сторон на определенных участках вплавлен индий, создающий две p-области, приведен на рисунке 84. Средняя область транзистора называется базой, а крайние - эмиттером и коллектором. От базы крайние области отделены соответственно эмиттерным и коллекторным p-n-переходами. Площадь коллекторного перехода делается большей площади эмиттерного перехода. Этим обеспечивается более эффективное захватывание полем коллекторного перехода носителей, попадающих в базу из эмиттера. Схематически устройство плоскостного транзистора показано на рисунке 85, а. В состоянии равновесия, когда к транзистору не подключены источники питания, суммарные токи через оба перехода равны нулю, а уровни Ферми во всех трех областях находятся на одной высоте (рис. 85, б). На практике я используются различные схемы включения транзисторов. Мы сначала остановимся на работе транзистора, включенного по так называемой схеме с общей базой.

Рис. 84
Рис. 84

Рис. 85
Рис. 85

В рабочем режиме к эмиттерному p-n-переходу приложено прямое напряжение (на эмиттер подается "+", а на базу "-"), обусловливающее снижение потенциального барьера и сужение перехода; на коллекторный же p-n-переход подается обратное смещение (на базу "+", а на коллектор "-"), вызывающее увеличение потенциального барьера и расширение перехода (рис. 86, а и б). Рассмотрим сначала процессы, протекающие в каждом из переходов, в отдельности.

Рис. 86
Рис. 86

Инжекция дырок в базу. Снижение потенциального барьера эмиттерного перехода приводит к интенсивной инжекции носителей и возникновению диффузионного тока. Электронная составляющая этого тока, определяемая переходом электронов из базы в эмиттер, оказывается ненужной (и даже вредной) в работе транзистора. Поэтому на практике стремятся свести ее к минимуму. Этого удается достигнуть в том случае, когда степень легированности эмиттера намного превосходит легированность базы. Благодаря тому что концентрация дырок в эмиттере несравненно больше концентрации электронов в базе, число дырок, переходящих из эмиттера в базу, во много раз превосходит число электронов, идущих из базы в эмиттер, и можно считать, что весь диффузионный ток через эмиттерный переход создается только дырками, инжектируемыми из эмиттера в базу.

Интенсивная инжекция приводит к резкому возрастанию концентрации дырок (неосновных носителей) в базе у ее границы с эмиттером.

Обратимся к коллекторному переходу.

Коллекторный переход. На коллекторный p-n-переход подается обратное напряжение смещения. Поэтому (при выключенном питании эмиттерного перехода) через него течет только обратный ток, равный току насыщения is и создаваемый исключительно неосновными носителями: дырками, идущими из базы n-типа в коллектор, и электронами, идущими из коллектора p-типа в базу. В коллекторном переходе электронная составляющая тока также оказывается ненужной. Поэтому и здесь стараются ее уменьшить, создавая резкое различие в легированности контактирующих областей так, чтобы выполнялось условие при котором число электронов (неосновных носителей) в коллекторе оказывается относительно мало, и можно считать, что весь обратный ток через коллекторный переход создается дырками, идущими из базы в коллектор. Так как поле коллекторного перехода подхватывает дырки, идущие из базы, и выводит их в коллектор, то концентрация их в базе на границе с коллектором практически равна нулю.

Рассмотрим теперь ситуацию, когда включены оба р-n-перехода. Благодаря интенсивной инжекции дырок из эмиттера в базу их концентрация в базе на границе с эмиттером во много раз превышает равновесную, в то же время у границы базы с коллектором концентрация дырок близка к нулю. Такой резкий перепад в концентрациях приводит к интенсивной диффузии дырок через базу от эмиттера к коллектору. Этому способствует малая толщина базы: часть дырок, проходящих через базу, рекомбинирует в ней с электронами; поэтому, чем меньше толщина базы, тем меньшее число дырок рекомбинирует в ее объеме и тем большее число их доходит до коллекторного перехода. Если толщина базы w много меньше диффузионной длины дырок в n-области то почти все дырки, инжектированные из эмиттера в базу, достигнут коллекторного перехода. Здесь, будучи подхваченными полем перехода, они переводятся в коллектор. Понятно, что дополнительный коллекторный ток, образованный переходом этих дырок, практически равен эмиттерному току. Протекавший через коллекторный переход обратный ток много меньше тока, создаваемого дырками, инжектированными из эмиттера в базу и проходящими далее через коллекторный переход. Поэтому коллекторный ток можно считать равным эмиттерному току

Как транзистор усиливает? Равенство коллекторного тока эмиттерному лежит в основе усиливающего действия транзистора. Реализуется же это действие благодаря большому различию сопротивлений коллекторного и эмиттерного р-n-переходов, включенных в противоположных направлениях.

Эмиттерный переход, на который подано прямое напряжение смещения, имеет малое сопротивление, и падение напряжения на нем Uэ мало. На коллекторный же переход подается обратное напряжение смещения, и сопротивление этого перехода значительно больше. Поэтому в коллекторную цепь может быть включена высокоомная нагрузка, сопротивление которой Rн значительно больше сопротивления эмиттерного перехода. Поскольку эмиттерный и коллекторный токи одинаковы, то падение напряжения на высокоомной коллекторной нагрузке окажется намного большим падения напряжения Uэ на эмиттерном переходе В этом по существу и состоит эффект усиления по напряжению, обеспечиваемого транзистором.

Так как то усиление происходит и по мощности: выходная мощность Рвых на высокоомной нагрузке в коллекторной цепи значительно больше входной мощности Рвх, подводимой к эмиттерному переходу

Способы включения транзисторов. Транзисторы можно включать тремя различными способами: по схеме с общей базой, по схеме с общим эмиттером и по схеме с общим коллектором.

При включении транзистора по схеме с общей базой (рис. 87, а) и эмиттерное, и коллекторное напряжения отсчитываются относительно базы. Цепь эмиттера при этом служит входной цепью, а цепь коллектора - выходной. Усилительное действие транзистора при его включении по такой схеме (см. также рис. 88, а) уже было рассмотрено выше.

Рис. 87
Рис. 87

Рис. 88
Рис. 88

На рисунке 87, б показано включение транзистора по схеме с общим эмиттером. В этом случае потенциалы базы и коллектора отсчитываются относительно эмиттера. Базовая цепь является входной, а коллекторная - выходной. Эта схема получила наиболее широкое распространение в различных транзисторных устройствах.

В случае схемы с общим коллектором (рис. 87, в) входной сигнал подается на переход "коллектор - база", а нагрузка включается между эмиттером и коллектором. Такая схема включения встречается значительно реже, чем предыдущие.

Работа транзистора в схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу усилительного каскада с использованием транзистора p-n-p-типа, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 88, б). Источник усиливаемого сигнала включается в цепь перехода "эмиттер - база" последовательно с источником напряжения смещения. Поскольку эмиттерный переход включен в прямом направлении, то величина входного сопротивления оказывается сравнительно небольшой.

В цепь "эмиттер - коллектор" источник питания включается таким образом, что его напряжение оказывается для коллекторного перехода обратным. Сопротивление коллекторного перехода при таком подключении оказывается большим, и это позволяет в цепь коллектора включить высокоомную нагрузку Rн, на которой выделяется усиленный сигнал.

Под действием напряжения усиливаемого сигнала происходит изменение силы тока в цепи "эмиттер - база", что в свою очередь вызывает изменение сопротивления коллекторного перехода и, следовательно, перераспределение падения напряжения источника между транзистором и нагрузкой. Действительно, в тот полупериод, когда напряжение усиливаемого сигнала складывается с напряжением прямого смещения, подаваемого на эмиттерный переход, происходит увеличение инжекции носителей из эмиттера в базу, сопровождающееся ростом эмиттерного и, следовательно, коллекторного токов. С другой стороны, приток подвижных носителей (дырок) в обедненную область коллекторного перехода снижает его сопротивление, благодаря чему большая доля напряжения источника, включенного в коллекторную цепь, падает на сопротивлении нагрузки Rн. Небольшое увеличение прямого смещения на эмиттерном переходе сопровождается значительным увеличением разности потенциалов на сопротивлении нагрузки Rн. При обратной полярности входного сигнала наблюдается противоположная картина: сопротивление коллекторного перехода увеличивается и падение напряжения на нагрузке уменьшается.

При синусоидальном характере входного сигнала амплитуда переменной составляющей напряжения на сопротивлении нагрузки Rн оказывается в десятки и даже сотни раз большей амплитуды переменного напряжения на входе. В отличие от схемы с общей базой схема с общим эмиттером дает значительное усиление и по току, так как изменение тока коллектора, практически равное изменению тока эмиттера, во много раз больше изменения тока базы (входного тока усилительного каскада). Усиление по току, как и усиление по напряжению, происходит в десятки и сотни раз. Одновременное усиление по току и напряжению приводит к реализации максимальных возможностей усиления по мощности. Коэффициент усиления по мощности, представляющий собой отношение выходной мощности к входной, может достигать в схеме с общим эмиттером нескольких тысяч и даже десятков тысяч.

предыдущая главасодержаниеследующая глава








© Сенченко Антонина Николаевна, Злыгостев Алексей Сергеевич, 2010-2018
При копировании обязательна установка активной ссылки:
http://rateli.ru/ 'rateli.ru: Радиотехника'