Транзисторы

Транзистором называется электропреобразовательный прибор с одним или несколькими p – n переходами, предназначенный для усиления мощности.

Широкое распространение имеют транзисторы с двумя p – n переходами. Транзисторы данного типа характерны наличием двух различных типов носителей заряда — дырок и электронов

Биполярный транзистор - это транзистор с двумя p – n переходами. Для изготовления транзисторов данного типа применяют в основном кремний и германий. Два p – n перехода создают трехслойную полупроводниковую структуру из полупроводников с различными типами электропроводимости. В соответствии с чередованием областей с различными типами электропроводимости биполярные транзисторы подразделяются на два класса: типа p – n – p и типа n – p – n.

Транзисторы изготавливаются в металлических, пластмассовых корпусах и в бескорпусном исполнении (для микросхем)

Схематическое устройство и условное графическое обозначение биполярных транзисторов (типа n – p – n) приведены на рис.4, а.

У биполярных транзисторов центральный слой называют базой (Б). Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов или дырок), который главным образом и создает ток прибора, называют эмиттером (Э), а наружный слой, принимающий заряды, поступающие от эмиттера, называется коллектором (К).

На переход эмиттер - база напряжение подается в прямом направлении, поэтому даже при небольших напряжениях через него проходят значительные токи. На переход коллектор - база напряжение подается в обратном направлении. Это напряжение обычно в несколько раз выше, чем напряжение эмиттер - база.

Рис.4. Биполярный транзистор n – p – n: а) условное обозначение; б) и в) движение носителей заряда (электронов и дырок)

Рассмотрим работу транзистора типа n – p - n (рис.4, б). Между коллектором и базой транзистора приложено напряжение . Когда эмиттерный ток равен нулю, в транзисторе создается только малый обратный ток через коллекторный переход (1 - 100мкА).

При подключении эмиттера (рис.4, в) к отрицательному зажиму источника питания возникает ток определенной величины. Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному p – n переходу в прямом направлении, электроны преодолевают его и попадают в область базы. База выполнена из полупроводника р-типа, поэтому электроны являются для нее неосновными носителями заряда.

Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток . Большинство же электронов под воздействием электрического поля коллектора достигают его, образуя в коллекторной цепи ток .

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи

.

Как видно из процессов, происходящих в транзисторе, ∆ <∆ и <1. Для современных транзисторов =0,9 ÷0,995.

= + = + .

Разрешая относительно получим:

= = .

Разрешая также относительно получим:

= = .

Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с общим эмиттером (рис.5, а). Для такой схемы входной ток равен току базы: = - . Малая величина входного (управляющего) тока обусловила широкое применение данной схемы.

Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером называют входной (базовой) характеристикой транзистора ( ), а зависимость тока коллектора от напряжения при постоянных значениях тока базы - семейством его выходных (коллекторных) характеристик ( ). Входная и выходная характеристики биполярного транзистора средней мощности типа n – p – n приведены соответственно на рис.5, б, в.

а) б) в)

Рис.5. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Для предотвращения перегрева коллекторного перехода необходимо, чтобы мощность, выделяемая в нем при прохождении коллекторного тока, не превышала некоторой максимальной величины:

.

Для улучшения теплоотвода коллекторный слой соединяют с металлическим корпусом транзистора, а сам прибор монтируют на специальном радиаторе.

Биполярные транзисторы являются усилительными и ключевыми приборами универсального назначения и широко применяются в усилителях, генераторах, логических и импульсных устройствах.

Полевым транзистором называют прибор, в котором электрическое поле, возникающее от приложения напряжения между затвором и истоком, управляет через канал током. В полевом транзисторе носители заряда (электроны или дырки) одного знака проходят по полупроводниковому каналу.

Канал - это полупроводниковая область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала, - стоком. Электрод, служащий для регулирования попе речного сечения канала, носит название затвора.

Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами p - и n - типов.

Полевой транзистор с затвором в виде p – n перехода - полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый p – n переход. Структурная схема и схема включения полевого транзистора с каналом n- типа и затвором в виде p – n перехода приведены на рис.6, а, б.

В транзисторе с каналом n - типа основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом образуя ток стока . Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p – n переход, образованный n - областью канала и p - областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с каналом n - типа полярности приложенных напряжений следующие: .

В транзисторе с каналом p - типа основными носителями заряда в канале являются дырки, которые движутся в направлении понижения потенциала, поэтому , а . Зависимость тока стока от напряжения при постоянном напряжении на затворе определяет выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора (рис.6, а). На начальном участке характеристик + < и ток стока возрастает с повышением напряжения.

При повышении напряжения стока - истока происходит смыкание канала и рост тока стока прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение, приложенное к затвору транзистора, смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений и тока стока . Дальнейшее повышение напряжения приводит к пробою p – n перехода между затвором и каналом и транзистор выходит из строя.

а) б)

Рис.6. Структурная схема (а) и схема включения (б) полевого транзистора с каналом n-типа и затвором в виде p – n перехода:

1 - ввод истока; 2 - затвор; З - канал; 4 - вывод затвора; 5 - вывод стока

Рис.7. Вольт - амперные характеристики (выходная) полевого транзистора с каналом n - типа