Физические принципы работы транзисторов

Рассмотрим работу транзистора р – n – р-типа.

В цепь между базой и коллектором транзистора включено в проводящем

(прямом) направлении напряжение источника Е (1…2 В). Вследствие этого

потенциальный барьер эмиттерного перехода снизится на Е_Э: U_Э-Б = φ – Е_Э. Действие барьера ослабляется, и «дырки», обладающие большими скоростями, могут переходить через p – n-переход в базовую область, создавая ток эмиттерного перехода i_Э. Этот процесс называется инжекцией дырок (рисунок 36).

Рисунок 36 – Физические процессы в p – n – р-транзисторе:

а – структура транзистора; б – распределение потенциалов

Одновременно происходит переход электронов из базы в эмиттер. Однако при выборе значительно меньшей концентрации носителей тока в базе этот встречный поток электронов оказывается намного меньше потока дырок и обратный ток эмиттера i_обр мал.

Инжектированные в базу дырки в результате диффузии направляются к

коллектору за счет перепада плотности дырок по длине базы. Диффузия

происходит в течение конечного времени при отсутствии электрического поля.

За время диффузии часть дырок рекомбинирует с электронами, приходящими в базу через базовый вывод от источника Е_Э, и образует базовый ток i_Б. В цепь между базой и коллектором включено напряжение источника Е_К, смещающее коллекторный переход в запирающем (непроводящем) направлении и увеличивающее потенциальный барьер коллекторного перехода. Напряжение источника Е_К выбирают приблизительно 5…20 В.

Дырки, попавшие в базу из эмиттера и равномерно распределившиеся по объему базы, подхватываются полем коллекторного перехода, которое является для них ускоряющим, и втягиваются в коллектор. Этот процесс называется экстракцией дырок (см. рисунок 36). Эти дырки образуют коллекторный ток i_К. В области контакта коллектора с внешней цепью дырки рекомбинируют с электронами, приходящими из внешней цепи от источника питания Е_К. Цепь тока оказывается замкнутой.

Из рассмотрения процессов видно, что

i_Э = i_Б + i_К.

Для увеличения коллекторного тока i_К базовый ток i_Б стремятся сделать как можно меньше. В современных транзисторах удается получить i_Б ≈ (0,05…0,1)i_Э путем снижения ширины области базы. Тогда i_К ≈ (0,95…0,9)i_Э.

Отношение коллекторного тока к эмиттерному называется коэффициентом передачи тока транзистора: α = i_К / i_Э = 0,95...0,99.

Таким образом, токи в транзисторе связаны следующими соотношениями:

I_К = α i_Э; I_Б = (1 − α)i_Э.

Если в цепь между базой и коллектором ввести переменное напряжение

источника Е_Г небольшой величины (Е_Г < Е_Э), то количество инжектированных дырок, т. е. ток i_Э, будет меняться вследствие изменения высоты потенциального барьера. Если в цепь между коллектором и источником Е_К ввести еще сопротивление R_н, то изменение эмиттерного тока i_Э приведет к изменению коллекторного тока i_К приблизительно в тех же пределах.

Так как сопротивление коллекторной цепи велико (коллекторный переход смещен в обратном направлении), то протекание по этой цепи изменяющегося и значительного тока i_К позволяет получить в усилителе на транзисторе усиление по напряжению и мощности.

Работа транзистора n – p – n-типа происходит аналогично работе транзистора p – n – p-типа. В этом случае носителями тока являются электроны и полярность внешних источников напряжений меняется на противоположную.