Контрольные вопросы

1. Дайте определение полупроводникового диода.

2. Как возникает электрическое поле в диоде.

3. Дайте определение дрейфового тока.

4. Классификация диодов по конструктивному признаку.

5. Классификация диодов по конструктивному признаку по назначению.

6. Устройство диодов.

8.3. Транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластинку кремния или германия, состоящую из трех областей.

Рисунок 8.6

Дискретные транзисторы в различном

конструктивном оформлении

Две крайние области всегда имеют одинаковый тип проводимости, а средняя – противоположный (рис. 8.7). Отсюда два типа транзисторов р-n-р или n-р-n. Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны, различие заключается в полярности включения источников питания.

Смежные области, отделенные друг от друга р-n-переходами, называются эмиттер, коллектор и база.

Эмиттер – область, испускающая носители зарядов.

Коллектор – область, собирающая носители зарядов.

База - средняя область (основание).

К эмиттеру прикладывается напряжение эмиттер-база в прямом направлении, а к коллектору (база-коллектор) - в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из эмиттера через р-n-переход переходит в очень узкую базу (инжекция). В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, объединяется со свободными носителями зарядов противоположной полярности, убыль которых пополняется новыми носителями из внешней цепи, образующими ток базы.

Рисунок 8.7.

Большая часть носителей зарядов приблизится ко второму р-n-переходу и втягивается в коллектор (экстракция), увеличивая ток коллектора. Если увеличить напряжение эмиттер-база, то увеличится ток эмиттера и ток коллектора. Iэ=Iб+Iк.

Транзистор может находится в трех состояниях:

• з аперт – если потенциал базы равен или меньше потенциала эмиттера (режим отсечки);

• открыт - выше потенциала эмиттера, при этом транзистор реагирует на изменение потенциала базы;

• насыщен – наступает момент, когда увеличение напряжения базы не приводит к увеличению тока коллектора.

Возможны три схемы включения: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р–n- переходами и тремя выводами.

Транзисторы применяются для усиления электрических сигналов и колебаний, генерирования электрических сигналов и колебаний и в качестве бесконтактного ключевого элемента.

Устройство биполярного транзистора.

Основным элементом транзистора является кристалл полупроводника, в котором с помощью примесей созданы три области с различной проводимостью (рис 8.8). Если средняя область имеет электронную проводимость, а две крайние – дырочную, то такой транзистор принадлежит к типу p-n-p в отличие от транзистора типа n-p-n, имеющего среднюю область с дырочной проводимостью, а две крайние – с электронной. Средняя область называется базой. Одна крайняя область, инжектирующая (эмитирующая) носители заряда в базу, называется эмиттером, а другая крайняя область, собирающая инжектированные носители заряда из базы, – коллектором.

К каждой из этих областей припаивают внутренние и внешние токоотводы (рис. 8.9), с помощью которых транзистор включают в электрическую цепь. Кристалл крепится на специальном кристаллодержателе и помещают в герметичный металлический, пластмассовый или стеклянный корпус. В структуре транзистора имеются два р–n-перехода: эмиттерный (между эмиттером и базой) и коллекторный (между коллектором и базой). Толщину базы при изготовлении транзистора делают очень маленькой.

Кроме того, концентрацию основных носителей базы делают значительно меньше, чем концентрация основных носителей в эмиттере и коллекторе.

Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора типа p-n-p (рис. 8.10). При наличии напряжений U_ЭБ и U_БК указанной полярности, создаваемых соответственно источниками Е_Э и Е_К, эмиттерный переход П₁ будет включен в прямом направлении, а коллекторный переход П₂ для основных носителей базы (электронов) и коллектора (дырок) – в обратном (непроводящем) направлении. Через открытый переход П₁ дырки из эмиттера поступают (инжектируются) в базу, создавая ток эмиттера I_Э. Как было отмечено выше, концентрация электронов в базе значительно меньше, чем концентрация дырок в эмиттере. Поэтому только небольшая часть дырок эмиттера вместе с таким же количеством электронов базы будут создавать небольшой ток базы I_Б, примерно на два порядка меньший тока эмиттера. Основная же часть дырок, инжектированных в базу из эмиттера, быстро проходит узкую базу и оказывается у перехода П₂, который для этих дырок включен в прямом направлении. Поэтому эти дырки проникают в коллектор, создавая ток коллектора I_К. Соотношение между токами в транзисторе следующее: I_Э= I_К+ I_Б. Практически, из-за малого значения тока базы считают, что ток I_К приблизительно равен току I_Э.

Изменяя напряжение U_ЭБ или ток базы I_Б, можно изменять значительно больший по величине ток коллектора I_К. В этом проявляются усилительные свойства транзистора. С помощью транзистора можно усиливать ток, напряжение и мощность.

Схемы включения и режимы работы биполярных транзисторов. При подключении транзистора в конкретную схему следует выделить его входную и выходную цепи. При этом два вывода транзистора являются входным и выходным зажимом соответственно входной и выходной цепей, а третий вывод транзистора – общим входным и выходным зажимом. Общим может быть любой из выводов транзистора. В связи с этим возможны три схемы включения транзистора:

• с общей базой (ОБ) (рис.8.11, а);

• с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 8.11, б);

• с общим коллектором (ОК) (рис. 8.11, в).

В схеме с ОБ входной цепью является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора.

В схеме с ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора.

В схеме с ОК входной является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

Для усиления тока транзистор включают по схеме с ОЭ или ОК. Для усиления напряжения транзистор включают по схеме с ОБ или ОЭ. Для усиления мощности наибольший эффект достигается при включении транзистора по схеме с ОЭ.

В зависимости от полярности напряжения, приложенного к эмиттерному и коллекторному переходам, различают следующие режимы работы транзистора:

• активный режим, когда на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим применяется для усиления слабых сигналов;

• режим насыщения, когда к обоим переходам приложено прямое напряжение. В этом режиме транзистор полностью открыт и ток через транзистор определяется только параметрами внешних элементов схемы.

• режим отсечки, когда оба перехода находятся под обратным напряжением. В этом режиме транзистор полностью закрыт и ток через него практически равен нулю.