§ 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. 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

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 i_s 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 U_э 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 R_н значительно больше сопротивления эмиттерного перехода. Поскольку эмиттерный и коллекторный токи одинаковы, то падение напряжения на высокоомной коллекторной нагрузке окажется намного большим падения напряжения U_э 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 Р_вых на высокоомной нагрузке в коллекторной цепи значительно больше входной мощности Р_вх, 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. 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 R_н, 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 R_н. Небольшое увеличение прямого смещения на эмиттерном переходе сопровождается значительным увеличением разности потенциалов на сопротивлении нагрузки R_н. 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 R_н 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.