Устройство и основные физические процессы

Устройство транзистора. Биполярный транзистор всвоей основе содержит три слоя полупроводника (р-п-р или п-р-п) и соответственно два p-n-перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой ж соответствующий вывод называют ба­зой, один го крайних слоев и соответствующий вывод на­зывают эмиттером, а другой крайний слой и соответству­ющий вывод — коллектором.

Дадим схематическое, упрощенное изображение струк­туры транзистора типа п-р-п (рис. 1.51, а) и два допусти­мых варианта условного графического обозначения (рис. 1.51, б).

Транзистор типа р-п-р устроен аналогично, упрощен­ное изображение его структуры дано на рис. 1.52, а, более простой вариант условного графического обозначения — на рис. 1.52, б.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители элект­ричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа п-р-п более распространены в сравне­нии с транзисторами типа р-п-р, так как обычно имеют луч­шие параметры. Это объясняется следующим образом: ос­новную роль в электрических процессах в транзисторах типа п-р-п играют электроны, а в транзисторах типа р-п-р — дыр­ки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного пере­хода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественное своеобразие структуры транзистора. Для определенности обратимся к транзистору типа п-р-п. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два со­единенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исклю­чительно важно учитывать, что p-n-переходы транзисто­ра сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Имен­но это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока дру­гого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно про­стую главную причину, а именно: очень малое расстояние

между переходами транзистора (от 20—30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Имен­но эта количественная особенность структуры создает ка­чественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточ­но часто реализуется следующий способ получения устрой­ства, обладающего новым качеством: особым образом со­единяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента. При изучении дифференциального усилителя станет ясно, что новое качество можно получить при использовании в роли таких элементов уже самих двух транзисторов.

Основные физические процессы. Концентрация атомовпримеси (и свободных электронов) в эмиттере сравни­тельно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концен­трация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее.

С помощью источников напряжения сместим эмиттер-ный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 1.55). Тогда через эмиттерный переход потечет ток i_э, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Ин-жекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Из-за малой толщины базы почти все электроны, прой­дя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбиниру-ет в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы i₆. Из изложенного следует, что i₆ << i_э

Обратное смещение коллекторного перехода способ­ствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захваты­ваются электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. В то же время это поле препятствует переходу электронов из коллектора в базу.

Ток коллектора i_K лишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. i_K » i₃. Более точно:

где a_ст — так называемый статический коэффициент пе­редачи эмиттерного тока (термин статический подчер­кивает тот факт, что этот коэффициент связывает по­стоянные токи);

I_ko — так называемый обратный ток коллектора. Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода (т. е. тока диода, включенного в об­ратном направлении). Ток I_ko протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю.

Различают диффузионные (бездрейфовые) и дрейфо­вые транзисторы. В диффузионных транзисторах концен-

трация атомов примесей в фазе примерно одинакова во всех ее частях, поэтому ионы атомов примесей не созда­ют в базе дополнительное электрическое поле, которое влияло бы на движение носителей электричества через базу. При этом движение этих носителей проходит глав­ным образом в форме диффузии. В дрейфовых транзисто­рах указанная концентрация различна в различных точках базы. Это приводит к появлению дополнительного элек­трического поля, которое оказывает существенное влияние на движение носителей через базу (говорят, что носители дрейфуют под действием этого поля). Дрейф ускоряет движение носителей через базу, поэтому дрейфо­вые транзисторы часто отличаются высоким быстродей­ствием.