1. Пристрій біполярного транзистора
2. Принцип дії біполярного транзистора
3. Режими роботи
4. режим відсічення
5. активний режим
6. режим насичення
7. Відмінність в принципі роботи транзисторів з різними структурами

Якщо розглядати механічні аналоги, то робота транзисторів нагадує принцип дії гідравлічного підсилювача керма в автомобілі. Але, схожість справедливо тільки при першому наближенні, оскільки в транзисторах немає клапанів. У цій статті ми окремо розглянемо роботу біполярного транзистора.

Пристрій біполярного транзистора

Основою пристрою біполярного транзистора є напівпровідниковий матеріал. Перші напівпровідникові кристали для транзисторів виготовляли з германію, сьогодні частіше використовується кремній і арсенід галію. Спочатку виробляють чистий напівпровідниковий матеріал з добре впорядкованою кристалічною решіткою. Потім додають необхідну форму кристалу і вводять в його склад спеціальну домішку (легируют матеріал), яка надає йому певні властивості електричної провідності. Якщо провідність обумовлюється рухом надлишкових електронів, вона визначається як донорная (електронна) n-типу. Якщо провідність напівпровідника обумовлена ​​послідовним заміщенням електронами вакантних місць, так званих дірок, то така провідність називається акцепторною (доречний) і позначається провідністю p-типу.

Малюнок 1.

Кристал транзистора складається з трьох частин (шарів) з послідовним чергуванням типу провідності (npn або pnp). Переходи одного шару в інший утворюють потенційні бар'єри. Перехід від бази до емітера називається емітерним (ЕП), до колектора - колекторним (КП). На малюнку 1 структура транзистора показана симетричною, ідеалізованої. На практиці при виробництві розміри областей значно асиметричні, приблизно як показано на малюнку 2. Площа колекторного переходу значно перевищує емітерний. Шар бази дуже тонкий, порядку декількох мікрон.

Малюнок 2.

Принцип дії біполярного транзистора

Будь-pn перехід транзистора працює аналогічно диоду . При додатку до його полюсів різниці потенціалів відбувається його "зміщення". Якщо прикладена різниця потенціалів умовно позитивна, при цьому pn перехід відкривається, кажуть, що перехід зміщений в прямому напрямку. При додатку умовно негативної різниці потенціалів відбувається зворотне зміщення переходу, при якому він закривається. Особливістю роботи транзистора є те, що при позитивному зсуві хоча б одного переходу, загальна область, звана базою, насичується електронами, або електронними вакансіями (в залежності від типу провідності матеріалу бази), що обумовлює значне зниження потенційного бар'єру другого переходу і як наслідок, його провідність при зворотному зміщенні.

Режими роботи

Всі схеми включення транзистора можна розділити на два види: нормальну і инверсную.

Малюнок 3.

Нормальна схема включення транзистора передбачає зміну електричної провідності колекторного переходу шляхом управління зміщенням емітерного переходу.

Інверсна схема, на противагу нормальної, дозволяє управляти провідністю емітерного переходу за допомогою управління зміщенням колекторного. Інверсна схема є симетричним аналогом нормальної, але на увазі конструктивної асиметрії біполярного транзистора малоефективна для застосування, має більш жорсткі обмеження по максимально допустимим параметрам і практично не використовується.

При будь-якій схемі включення транзистор може працювати в трьох режимах: Режим відсічення, активний режим і режим насичення.

Для опису роботи напрямок електричного струму в даній статті умовно прийнято за напрямок електронів, тобто від негативного полюса джерела живлення до позитивного. Скористаємося для цього схемою на малюнку 4.

Малюнок 4.

режим відсічення

Для pn переходу існує значення мінімальної напруги прямого зміщення, при якому електрони здатні подолати потенційний бар'єр цього переходу. Тобто, при напрузі прямого зміщення до цієї граничної величини через перехід не може протікати струм. Для кремнієвих транзисторів величина такого порогу дорівнює приблизно 0,6 В. Таким чином, при нормальній схемі включення, коли пряме зміщення емітерного переходу не перевищує 0,6 В (для кремнієвих транзисторів), струм через базу не протікає, вона не насичується електронами, і як наслідок відсутня емісія електронів бази в область колектора, тобто струм колектора відсутня (дорівнює нулю).

Таким чином, для режиму відсічення необхідною умовою є тотожності:

UБЕ <0,6 В

або

IБ = 0

активний режим

В активному режимі емітерний перехід зміщується в прямому напрямі до моменту відмикання (початку протікання струму) напругою більше 0,6 В (для кремнієвих транзисторів), а колекторний - у зворотному. Якщо база має провідність p-типу, відбувається перенесення (інжекція) електронів з емітера в базу, які моментально розподіляються в тонкому шарі бази і майже всі досягають кордону колектора. Насичення бази електронами призводить до значного зменшення розмірів колекторного переходу, через який електрони під дією негативного потенціалу з боку емітера і бази витісняються в область колектора, стікаючи через висновок колектора, обумовлюючи тим самим струм колектора. Дуже тонкий шар бази обмежує її максимальний струм, що проходить через дуже малий перетин поперечного розрізу в напрямку виведення бази. Але ця мала товщина бази обумовлює її швидке насичення електронами. Площа переходів має значні розміри, що створює умови для протікання значного струму емітер-колектор, в десятки і сотні разів перевищує струм бази. Таким чином, пропускаючи через базу незначні струми, ми можемо створювати умови для проходження через колектор струмів набагато більшої величини. Чим більше струм бази, тим більше її насичення, і тим більше струм колектора. Такий режим дозволяє плавно керувати (регулювати) провідність колекторного переходу відповідною зміною (регулюванням) струму бази. Ця властивість активної режиму транзистора використовується в схемах різних підсилювачів.

В активному режимі струм емітера транзистора складається з струму бази і колектора:

IЕ = IК + IБ

Струм колектора можна виразити співвідношенням:

IК = α IЕ

де α - коефіцієнт передачі струму емітера

З наведених рівностей можна отримати наступне:

де β - коефіцієнт посилення струму бази.

режим насичення

Межа збільшення струму бази до моменту, коли струм колектора залишається незмінним визначає точку максимального насичення бази електронами. Подальше збільшення струму бази не буде змінювати ступінь її насичення, і ні як не впливатиме на струм колектора, може привести до перегріву матеріалу в області контакту бази і виходу транзистора з ладу. У довідкових даних на транзистори можуть бути вказані величини струму насичення і максимально допустимого струму бази, якого напруження насичення емітер-база і максимально допустимого напруги емітер-база. Ці межі визначають режим насичення транзистора при нормальних умовах його роботи.

Режим відсічення і режим насичення ефективні при роботі транзисторів в якості електронних ключів для комутації сигнальних і силових ланцюгів.

Відмінність в принципі роботи транзисторів з різними структурами

Вище було розглянуто випадок роботи транзистора npn структури. Транзистори pnp структури працюють аналогічно, але є принципові відмінності, які слід знати. Напівпровідниковий матеріал з акцепторной провідністю p-типу має порівняно низькою пропускною здатністю електронів, так як заснований на принципі переходу електрона від одного вакантного місця (дірки) до іншого. Коли всі вакансії заміщені електронами, то їх рух можливий тільки в міру появи вакансій з боку напряму руху. При значній протяжності ділянки такого матеріалу він буде володіти значним електричним опором, що призводить до великих проблем при його використанні в якості найбільш масивних колекторі і емітер біполярних транзисторів pnp типу, ніж при використанні в дуже тонкому шарі бази транзисторів npn типу. Напівпровідниковий матеріал з донорной провідністю n-типу має електричними властивостями проводять металів, що робить його більш вигідним для використання в якості емітера і колектора, як в транзисторах npn типу.

Ця відмінна риса різних структур біполярних транзисторів призводить до великих ускладнень при виробництві пар компонент з різними структурами і аналогічними один одному електричними характеристиками. Якщо звернути увагу на довідкові дані характеристик пар транзисторів, можна помітити, що при досягненні однакових характеристик двох транзисторів різних типів, наприклад КТ315А і КТ361А, незважаючи на їх однакову потужність колектора (150 мВт) і приблизно однаковий коефіцієнт посилення по току (20-90) , у них відрізняються максимально допустимі струми колектора, напруги емітер-база і ін.

PS Даний опис принципу дії транзистора було інтерпретовано з позиції Руській Теорії , Тому тут немає опису дії електричних полів на вигадані позитивні і негативні заряди. Російська Фізика дає можливість користуватися більш простими, зрозумілими механічними моделями, найбільш наближеними до дійсності, ніж абстракції у вигляді електричних і магнітних полів, позитивних і електричних зарядів, які віроломно підсовує нам традиційна школа. З цієї причини не рекомендую без попереднього аналізу і осмислення користуватися викладеної теорією при підготовці до здачі контрольних, курсових та інших видів робіт, Ваші викладачі можуть просто не прийняти інакомислення, навіть конкурентоспроможне і цілком спроможне з точки зору здорового глузду і логіки. Крім того, з мого боку це перша спроба опису роботи напівпровідникового приладу з позиції Російської Фізики, може уточнюватися і доповнюватися в подальшому.