Плоскостной биполярный транзистор представляет собой пластинку германия или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью.
Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два р-п-перехода – эмиттерный между эмиттером и базой и коллекторный между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрон, т. е. область базы должна быть очень тонкой. Это является важнейшим условием для хорошей работы транзистора. Кроме того, обычно концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. С помощью металлических электродов от базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. (
Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от того, каковы напряжения на его переходах. Работа в активном режиме получается в случае, если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки или запирания достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. В частности, он используется в большинстве усилителей и генераторов.
В практических схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную цепь включают нагрузку.
Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются их статическими характеристиками, т. е. характеристиками, снятыми на постоянном токе и при отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Входные и выходные характеристики транзистора имеют тесную связь с вольт-амперной характеристикой полупроводникового диода. Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает при прямом напряжении. Поэтому они аналогичны характеристике обратного тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике обратного тока диода, так как они отображают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении.
Существуют еще характеристики обратной связи, которые показывают, как изменяется напряжение на входе транзистора под влиянием изменения выходного напряжения при условии, что входной ток постоянен.
17. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ
Рассмотрим, как работает транзистор в статическом режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений. Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточен источник с напряжением порядка десятых долей вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение обычно составляет единицы или десятки вольт.
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода существенно влияет на ток коллектора: чем больше напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменение тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, входное напряжение управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.
Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря явлению диффузии проникают сквозь базу в область коллекторного перехода, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в области этого перехода получаются объемные заряды. Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.
Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этой рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Вследствие рекомбинации какое-то количество дырок каждую секунду исчезает, но такое же количество новых дырок каждую секунду возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к полюсу источника такое же количество электронов. В базе не может происходить накопления какого-то большого количества электронов. Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы ток базы был как можно меньше. Для этого базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. При выполнении этих условий меньшее количество электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.
Данное одному из электродов название «эмиттер» подчеркивает, что электроны как бы эмитируют из этого электрода в базу. На самом же деле происходит не эмиссия, а инжекция электронов из эмиттера в базу. Применение этого термина необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электронной эмиссии, в результате которой получаются электроны в вакууме или разреженном газе.
Эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Эмиттер и коллектор можно поменять местами. Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем в эмиттерном.
18. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ
Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада.
Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.
Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.
Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд выходного или входного переменного токов, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току получается порядка десятков.
Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером характеризует один из главных его параметров – статический коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки, т. е. при постоянном напряжении «коллектор – эмиттер».
Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитуд выходного и входного переменных напряжений. Входным является напряжение «база – эмиттер», а выходным – переменное напряжение на резисторе нагрузки или между коллектором и эмиттером.
Схема с общей базой дает значительно меньшее усиление мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с общим эмиттером, все же ее применяют довольно часто, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с общим эмиттером.
Коэффициент усиления по току каскада с общей базой всегда несколько меньше единицы. Это вытекает из того, что ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.
Важнейшим параметром транзисторов является статический коэффициент усиления по току для схемы с общей базой. Он определяется для режима без нагрузки, т. е. при постоянном напряжении «коллектор – база».
Для схемы с общей базой сдвиг фаз между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.
Схема с общим коллектором. В ней действительно коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться коротким замыканием. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. имеется очень сильная отрицательная обратная связь. Входное напряжение равно сумме переменного напряжения «база – эмиттер» и выходного напряжения.
