Устройство и работа биполярного транзистора

Транзистором называется активный полупроводниковый прибор, при помощи которого осуществляется усиление, преобразование и генерирование электрических колебаний. Такое применение транзистора можно наблюдать в аналоговой технике. Кроме этого транзисторы применяются и в цифровой технике, где они используются в ключевом режиме. Но в цифровой аппаратуре почти все транзисторы «спрятаны» внутри интегральных микросхем, причем в огромных количествах и в микроскопических размерах.

Здесь мы уже не будем слишком подробно останавливаться на электронах, дырках и атомах, о которых уже было рассказано в предыдущих частях статьи, но кое-что из этого, при необходимости, все же придется вспомнить.

Полупроводниковый диод состоит из одного p-n перехода, о свойствах которого было рассказано в предыдущей части статьи . Транзистор, как известно, состоит из двух переходов, поэтому полупроводниковый диод можно рассматривать как предшественник транзистора, или его половину.

Если p-n переход находится в состоянии покоя, то дырки и электроны распределяются, как показано на рисунке 1, образуя потенциальный барьер. Постараемся не забыть условные обозначения электронов, дырок и ионов, показанные на этом рисунке.

Рисунок 1.

Как устроен биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора на первый взгляд просто. Для этого достаточно на одной пластине полупроводника, называемой базой, создать сразу два p-n перехода. Некоторые способы создания p-n перехода были описаны в предыдущих частях статьи , поэтому здесь повторяться не будем.

Если проводимость базы будет типа p, то полученный транзистор будет иметь структуру n-p-n (произносится как «эн-пэ-эн»). А когда в качестве базы используется пластина n типа, то получается транзистор структуры p-n-p («пэ-эн-пэ»).

Уж коль скоро речь зашла о базе, то следует обратить внимание на такую вещь: полупроводниковая пластина, используемая в качестве базы очень тонкая, намного тоньше, чем эмиттер и коллектор. Это утверждение следует запомнить, поскольку оно понадобится в процессе объяснения работы транзистора.

Естественно, что для соединения с «внешним миром» от каждой области p и n выходит проволочный вывод. Каждый из них имеет название области, к которой соединен: эмиттер, база, коллектор. Такой транзистор называется биполярным, поскольку в нем используются два типа носителей заряда, — дырки и электроны. Схематическое устройство транзисторов обоих типов показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

В настоящее время в большей степени применяются кремниевые транзисторы. Германиевые транзисторы почти полностью вышли из употребления, будучи вытесненными кремниевыми, поэтому дальнейший рассказ будет именно о них, хотя иногда будут упоминаться и германиевые. Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, поскольку эта структура более технологична в производстве.

Комплементарные пары транзисторов

Для германиевых транзисторов, видимо, более технологичной была структура p-n-p, поэтому германиевые транзисторы большей частью имели именно эту структуру. Хотя, в составе комплементарных пар (близкие по параметрам транзисторы, которые отличались лишь типом проводимости) выпускались и германиевые транзисторы разной проводимости, например ГТ402 (p-n-p) и ГТ404 (n-p-n).

Такая пара применялась в качестве выходных транзисторов в УНЧ различной радиоаппаратуры. И если несовременные германиевые транзисторы ушли в историю, то комплементарные пары кремниевых транзисторов выпускаются до сих пор, начиная от транзисторов в SMD – корпусах и вплоть до мощных транзисторов для выходных каскадов УНЧ.

Кстати, звуковые усилители на германиевых транзисторах меломанами воспринимались почти как ламповые. Ну, может чуть и похуже, но много лучше, чем усилители на кремниевых транзисторах. Это просто для справки.

Как работает транзистор

Для того, чтобы понять, как работает транзистор нам снова придется вернуться в мир электронов, дырок, доноров и акцепторов. Правда сейчас это будет несколько проще, и даже интересней, чем в предыдущих частях статьи. Такое замечание пришлось сделать для того, чтобы не испугать читателя, позволить дочитать все это до конца.

На рисунке 3 сверху показано условное графическое обозначение транзисторов на электрических схемах, а ниже p-n переходы транзисторов представлены в виде полупроводниковых диодов, к тому же включенных встречно. Такое представление очень удобно при проверке транзистора мультиметром.

Рисунок 3.

А на рисунке 4 показано внутреннее устройство транзистора.

На этом рисунке придется немного задержаться, чтобы рассмотреть его поподробнее.

Рисунок 4.

Так пройдет ток или нет?

Здесь показано, как к транзистору структуры n-p-n подключен источник питания, причем именно в такой полярности, как он подключается в реальных устройствах к настоящим транзисторам. Но, если присмотреться повнимательней, то получается, что через два p-n перехода, через два потенциальных барьера ток не пройдет: как ни меняй полярность напряжения один из переходов обязательно оказывается в запертом, непроводящем, состоянии. Так что уж оставим пока все, как показано на рисунке и посмотрим, что же там происходит.

Неуправляемый ток

При включении источника тока, как показано на рисунке, переход эмиттер – база (n-p) находится в открытом состоянии и легко пропустит электроны в направлении слева – направо. После чего электроны столкнутся с закрытым переходом база эмиттер (p-n), который остановит это движение, дорога для электронов будет закрыта.

Но, как всегда и везде из всяких правил бывают исключения: некоторые особо шустрые электроны под воздействием температуры все-таки этот барьер сумеют преодолеть. Поэтому хоть и незначительный ток при таком включении все же будет. Этот незначительный ток называется начальным током или током насыщения. Последнее название вызвано тем, что в образовании этого тока участвуют всех свободные электроны, способные при данной температуре преодолеть потенциальный барьер.

Начальный ток неуправляемый, он имеется у любого транзистора, но в то же время мало зависит от внешнего напряжения. Если его, напряжение, повысить весьма значительно (в пределах разумного, обозначенного в справочниках), начальный ток особо не изменится. Зато тепловое воздействие на этот ток влияет весьма заметно.

Дальнейшее повышение температуры вызывает увеличение начального тока, что в свою очередь может привести к дополнительному нагреву p-n перехода. Такая тепловая нестабильность может привести к тепловому пробою, разрушению транзистора. Поэтому следует принимать меры по охлаждению транзисторов, и не прилагать предельных напряжений при повышенной температуре.

А теперь вспомним о базе

Описанное выше включение транзистора с оборванной базой нигде в практических схемах не применяется. Поэтому на рисунке 5 показано правильное включение транзистора. Для этого понадобилось подать на базу относительно эмиттера некоторое небольшое напряжение, причем в прямом направлении (вспомним диод, и еще раз посмотрим на рисунок 3).

Рисунок 5.

Если в случае с диодом все вроде бы понятно, — открылся и через него пошел ток, то в транзисторе происходят еще и другие события. Под действием эмиттерного тока электроны устремятся в базу с проводимостью p из эмиттера с проводимостью n. При этом часть электронов заполнят дырки, находящиеся в области базы и через базовый вывод протекает незначительный ток, — ток базы Iб. Вот тут как раз и следует вспомнить, что база тонкая и дырок в ней немного.

Остальные электроны, которым не хватило дырок в тонкой базе, устремляются в коллектор и будут извлечены оттуда более высоким потенциалом коллекторной батареи Eк-э. Под этим воздействием электроны преодолеют второй потенциальный барьер и через батарею вернутся в эмиттер.

Таким образом, небольшое напряжение, приложенное к переходу база – эмиттер, способствует открыванию перехода база – коллектор, смещенному в обратном направлении. Собственно в этом и заключается транзисторный эффект.

Остается только рассмотреть, как влияет это «небольшое напряжение», приложенное к базе, на ток коллектора, каковы их величины и соотношения. Но об этом рассказ в следующей части статьи про транзисторы.

Продолжение статьи: Характеристики биполярных транзисторов