Биполярный транзистор
Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления электрических сигналов.
Устройство биполярного транзистора
Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера Э, базыБ и коллектораК (рис. 4.1).
а б
Рис. 4.1 а) структура биполярного транзистора, б) изображение транзистора на схемах.
В биполярном транзисторе реализуются четыре физических процесса:
- инжекция из эмиттера в базу;
- диффузия через базу;
- рекомбинация в базе;
- экстракция из базы в коллектор.
Принцип работы биполярного транзистора основан на взаимодействие двух p-n переходов разделенных тонким слоем полупроводника (базой).
В режиме усиления, эмиттер смещают в прямом направлении, а коллекторный переход в обратном, соответствующие энергетические диаграммы показаны на рис. 4.2.
Рис.4.2. Зонная диаграмма биполярного транзистора: в активном режиме
Приложенное к эмиттеру прямое смещение снижает потенциальный барьер. В p-n-p транзисторе из эмиттера в базу инжектируются дырки, которые через базу диффундируют к коллектору. Для того чтобы основная часть инжектированных эмиттером носителей достигла коллектора, ширина базы W должна быть значительно меньше диффузионной длины LD.
Выполнение условия W < LD означает, что основная часть носителей успевает пройти расстояние эмиттер - коллектора W до момента рекомбинации.
Транзистор можно представить как структуру, состоящую из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим n - или p — слоем.
Рис. 4.3 Эквивалентная схема биполярного транзистора
Входные характеристики транзистора представляют собой вольт - амперные характеристики прямосмещенного эмиттерного электронно-дырочного перехода рис.4.4 а.
Выходные характеристики биполярного транзистора — это вольт-амперные характеристики коллекторного электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении рис. 4.4б.
а б
Рис. 4.4 вольт- амперные характеристики· транзитора: а - входные, б — выходные
Например для транзистора рис. 4.4 уровень тока на эмиттере Iэ= 5 мА достигается при подаче напряжения 0.1В, тот же уровень коллекторного тока Iк = 5 мА сохраняется на коллекторном переходе при напряжении 10 -50 В. Соответственно, мощность входного сигнала на эмиттере Pвх= Iэ·Uэ = 0.5 мВт и мощность выходного сигнала на коллекторе Pвых= Iк·Uк = 5мВт. Мощность затраченная во входной эмиттерной цепи на создание тока инжекции меньше мощности, которая выделяется в выходной коллекторной цепи, т.е. имеет место усиление сигнала.
Процесс усиления заключается в управлении сигналом большой мощности с помощью сигнала малой мощности.
Тогда коэффициент усиления транзистора β равен отношению выходной мощности сигнала на коллекторе Pвых к входной мощности на эмиттере Pвх.
где Jк, Uк – ток и напряжение на коллекторе, и Jэ , Uэ - ток и напряжение на эмиттере.
Ток через транзисторную структуру практически одинаковый Jк ≈ Jэ, поэтому коэффициент усиления определяется соотношением напряжений на коллекторе Uк и эмиттере Uэ.
Таким образом, входной сигнал Uэ изменяет высоту потенциального барьера, модулирует поток неосновных носителей в базу, который определяет коллекторный ток и соответственно усиленный за счет энергии коллекторного источника питания выходной сигнал.
