Общая характеристика процессов

Теоретическая часть.

Общая характеристика процессов.

Полупроводниковый триод – транзистор – это прибор с тремя контактами, позволяющий усиливать и нелинейно преобразовывать электрические сигналы.

Рис. 1. Схематическое изображение конструкций транзисторов:

а) сплавной, типа p‑n‑p;

б) диффузионный, типа n‑p‑n;

в) и г) условные обозначения транзисторов в схемах.

Принципом одного из важнейших типов полупроводниковых триодов является взаимодействие токов двух близко расположенных p-n-переходов. Все одни представляют собой полупроводниковые кристаллы, содержащие две области одного типа проводимости, разделенные областью другого типа проводимости. Каждая область снабжена омическим контактом, к которому подводится внешний провод.

Рассмотрим для определенности структуру типа p‑n‑p. В p-областях проводимость осуществляется основными носителями – дырками и неосновными – электронами, в средней n-области – основными – электронами и неосновными – дырками. Если толщина средней области – базы – мала по сравнению с диффузионной длиной дырок, то проникающие через один p‑n‑переход дырки могут, не успевая прорекомбинировать с электронами, приближаться к другому p‑n‑переходу и участвовать в токе через него. Взаимодействие токов двух переходов будет сильно зависеть от знака и величины приложенных к ним внешних напряжений. В качестве примера рассмотрим германиевый кристалл с двумя внутренними переходами p‑n‑p‑типа. Для этого в пластинку германия n‑типа помещают кусочки индия и расплавляют их. Атомы индия диффундируют внутрь пластинки, создавая с обеих сторон области с проводимостью p‑типа.

Рассмотрим, что произойдет, если между базой (б) и обоими участками p‑типа включить две батареи в противоположных направлениях. Участок p‑типа, к которому подключен источник в прямом направлении, называется эмиттером (э), а участок, к которому подключен источник в обратном направлении, называется коллектором (к). Пусть к одному из p‑n‑переходов – эмиттеру – приложено внешнее напряжение U_э в прямом направлении, т. е. плюс к эмиттерной p‑области, минус к n‑базе (рис. 2). К другому переходу – коллектору – приложено внешнее напряжение U_к, т. е. плюс к n‑базе, минус к коллекторной p‑области (свойства p‑n‑переходов описаны и исследуются в лабораторной работе № __).

Рис. 2. Нормальная схема p‑n‑транзистора при общем для входной и выходной цепи электроде – базе (а). Энергетическая диаграмма p‑n‑переходов и соответствующие инжекционные и рекомбинационные потоки носителей заряда (б).

При такой полярности напряжения потенциальный барьер в эмиттерном переходе понижен, и дырки из эмиттера могут переходить в базу, сопротивление эмиттера поэтому невелико (r_э). Дырки из коллекторной p‑области не могут переходить в базу, так как потенциальный барьер в коллекторном переходе велик, сопротивление этого перехода r_к много больше r_э.

Однако для перехода дырок из базы знак коллекторного потенциала соответствует прямому направлению. Поэтому дырки, инжектированные эмиттером в базу, затягиваются коллекторным полем и меняют ток в цепи коллектора. Если рекомбинация инжектированных дырок в n‑области незначительна (этого можно достигнуть, сделав базу достаточно тонкой), то изменение тока коллектора оказывается почти равным изменению тока эмиттера, то есть «коэффициент усиления по току» a» 1. Так как при этом r_к много больше r_э, то в транзисторе возможно усиление сигналов по напряжению (с коэффициентом K_U):

; (1)

здесь R_Н – сопротивление нагрузки в цепи коллектора;

– отношение изменений соответствующих напряжений.

На рисунке 2(б) и 3 показано, как разделяются токи. Часть тока эмиттера переносится дырками – это большая часть тока, определяющая усиление, где R_n и R_p – квазиуровни Ферми для электронов и дырок соответственно. Малая часть (), где – коэффициент инжекции – эмиттерного тока переносится электронами, инжектируемыми с базы. Часть дырок , где – коэффициент передачи – большая – проходит к коллектору, меньшая часть рекомбинирует в базе. Часть тока коллектора – большая – определяется дырками, пришедшими с эмиттера, меньшая часть – равновесным током.

Рис. 3. Диаграмма, поясняющая распределение токов в транзисторе: – коэффициент усиления по току; – ток насыщения коллектора.