• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Транзистори

Транзистором називають напівпровідниковий прилад, що має три виводи (електроди) і здатний підсилювати потужність сигналу.

Назва приладу походить як словосполучення від двох англійських слів transfer та resistor, що в перекладі означає перетворювач опору. В першому наближенні транзистор можна розглядати як напівпровідниковий прилад з одним або двома n-p-переходами, опір яких змінюють за допомогою керувальної напруги, що подається на третій електрод.

Промисловість випускає багато типів різноманітних за конструкцією, технологією виготовлення і принципом дії транзисторів. Найпоширенішими з них є біполярні та польові. В біполярних транзисторах для створення струму використовуються носії заряду обох знаків, вони мають два n-p-переходи, а керування робочим струмом в них здійснюється зміною струму в керувальному електроді. Польові транзистори мають лише один n-p-перехід. Струм у них утворюється завдяки руху носіїв заряду одного знака, тому їх називають ще уніполярними, а керування здійснюється зміною електричного поля (напруги) на керувальному електроді.

Польові транзистори. За конструктивними особливостями їх можна поділити на дві групи: з керувальним n-p-переходом та з ізольованим затвором.

Рис. 3. 17. Схематичне зображення конструкції

n – канального польвого транзистора зі схемою його

вмикання та умовними графічними позначенням

Розглянемо польовий транзистор із керувальним п-р-переходом. Транзистор називають я n-канальним, якщо носіями заряду є електрони, і p-канальним, якщо такими носіями є дірки. На рис. 3.17 показано схематичне зображення конструкції n-канального польового транзистора зі схемою його вмикання та умовними графічними позначеннями. Струм прямує від витоку В до стоку С по каналу з електронною провідністю під дією напруги U_СВ.

Значення струму в каналі залежить від напруги U_СВ і провідності напівпровідникової пластини між витоком та стоком. Якщо U_СВ = const, то струм у каналі I_С залежить лише від ефективної площі поперечного перерізу каналу.

Керувальний електрод — затвор 3 створений з напівпровідника p- типу. Отже, між каналом і керувальним електродом утворюється n-p-перехід. Прикладання до нього запірної напруги Uзв спричинює розширення зони п-р-переходу, збідненої носіями заряду, та зменшення поперечного перерізу частини каналу, в якій є електрони провідності, що зумовлює зростання опору між витоком В і стоком С та зменшення струму I_С. При деякому значенні напруги на затворі U _ЗВ = U _вілс, яке називається напругою відсікання, канал повністю перекривається збідненою носіями зоною і проходження струму припиняється. Оскільки на n-p-перехід подається весь час запірна напруга, в керувальному електроді струму немає, тобто керування струмом І_С здійснюється лише електричним полем, створюваним у п -р-переході.

Принцип дії p-канального польового транзистора аналогічний, різниця полягає лише в знаках прикладених до електродів напруг.

Рис. 3.18. Схематичне зображення конструкції польового транзистора з ізольованим затвором і його умовним позначенням

Польові транзистори з ізольованим затвором, як показано на рис. 3.18, мають структуру метал — діелектрик — напівпровідник (тому їх також називають МДН-транзисторами). Затвор 3 ізольований від каналу тонким шаром діелектрика (0,05...0,2 мкм). Металевий затвор і напівпровідниковий канал утворюють конденсатор. Зміна напруги, прикладеної до такого конденсатора, приводить до перерозподілу зарядів у каналі, що змінює його провідність.

Залежно від знака напруги, прикладеної до затвора, канал може збіднюватись або збагачуватись носіями заряду (електронами). Якщо напруга на затворі негативна, то електрони провідності виштовхуються з каналу в підкладку, канал збіднюється на кількість носіїв заряду, що зумовлює зменшення струму в каналі. Позитивна напруга на затворі сприяє втягуванню електронів з підкладки в канал. Цей режим дістав назву режиму збагачення. Зі збільшенням позитивної напруги струм у каналі зростає. Таким чином, на відміну від транзистора з керованим n-p-переходом, у транзисторі з ізольованим затвором на останній можна подавати як позитивну, так і негативну напругу. Наявність діелектрика між каналом та затвором забезпечує при позитивних напругах відсутність вхідного струму через затвор.

На рис. 3.19 зображено типові ВАХ польових транзисторів з керованим n-p-переходом (а, б) та з ізольованим затвором (в, г). На вихідних характеристиках можна виділити дві характерні ділянки: ділянку малих напруг U_СВ, де стоковий струм 1_Спрямо пропорційний напрузі U_СВ і транзистор можна розглядати як резистор, керований напругою U_ЗВ; ділянку

великих напруг U_СВ, коли стоковий струм I_С майже не залежить від напруги U_СВ і транзистор є джерелом струму, керованим напругою U_ЗВ.

Основними параметрами польових транзисторів є:

статичний коефіцієнт підсилення напруги

; (3.9)

крутість характеристики прямої передачі сигналу

; (3.10)

Рис. 3.19. Типові ВАХ польвих транзисторів з керованим n-p-переходом (а, б) та з

ізольованим затвором (в, г)

вихідна провідність у режимі керованого джерела струму

. (3.11)

ЦІ параметри пов'язані між собою основним рівнянням транзистора

. (3.12)

Робочі частоти польових транзисторів лежать у межах до 1 ГГц. У приладів, побудованих з арсеніду галію з керованим переходом Шоткі, робочі частоти перевищують 40 ГГц.

Діапазон керувальних напруг польових транзисторів досягає кількох одиниць вольтів, їхні вхідні опори лежать у межах1О⁶...1О¹⁵ Ом, а вихідні дорівнюють сотням кілоомів. Відмітною особливістю польових транзисторів є малий рівень власного шуму та висока стійкість до температурних і радіаційних діянь.

Біполярні транзистори. Вони мають два n-p-переходи і можуть бути п -р - п- або р - п - p-структури. Фізичні процеси, що відбуваються в біполярних транзисторах обох типів, аналогічні, а схеми різняться лише знаками прикладених напруг.

Схематично будову площинного біполярного транзистора показано на рис. 3.20. Основним елементом його конструкції є кристал германію або силіцію з трьома областями різної провідності. Цей кристал як основа побудови транзистора називається базою. Крайні зони, що мають провідність, протилежну провідності бази, називаються емітером (звідки основні носії заряду виходять у базу) та колектором. Найпоширенішим способом утворення в тілі бази n-p-переходів є вплавлення і дифузія.

Рис 3.20. Схематичне зображення будови площинного біполярного транзистора та його умовне графічне позначення

Як випливає з рис. 3.20, емітерний (між емітером та базою) і колекторний (між базою та колектором) переходи ввімкнено назустріч один одному, тобто будь-яка полярність напруги між емітером і колектором не призводить до виникнення колекторного струму. Відстань між n-p-переходами менша за дифузійну довжину пробігу в ній неосновних носіїв заряду і становить кілька мікрометрів, а концентрація атомів домішки в базі незначна, в багато разів менша, ніж емітер. Це є основною умовою роботи транзистора.

Розглянемо принцип дії транзистора на прикладі приладу вплавленого типу з п -р - n-структурою. Такі транзистори ще називають бездрейфовими,оскільки перенесення неосновних носіїв заряду через базу в них здійснюється завдяки дифузії.

Для того щоб через транзистор почав проходити струм, треба відкрити один з n-p-переходів. Для відкривання емітерного переходу між емітером і базою транзистора вмикають джерело U_БЕ у прямому напрямку. Потенціальний бар'єр емітерного переходу знижується, опір його зменшується й утворюється емітерний струм I_Е, зумовлений інжекцією електронів з емітера в базу. Між емітером і колектором прикладено напругу U_КЕ значно більшу за U_БЕ, тобто колекторний перехід закритий, що збільшує його потенціальний бар'єр й опір. Оскільки ширина бази менша за дифузійну довжину пробігу в ній неосновних носіїв (а електрони для бази з дірковим типом провідності є неосновними носіями), переважна більшість електронів, інжектованих з емітера, дійде до колекторного переходу і буде захоплена його прискорювальним полем та втягнута в колектор, утворюючи струм колектора I_К. Незначна частина електронів рекомбінує з основними носіями бази — дірками, створюючи тим самим струм бази I_Б. Цей струм тим менший, чим меншими є ширина бази і концентрація дірок у ній. Для того щоб збільшити або зменшити колекторний струм, треба відповідно збільшити або зменшити кількість електронів, що виходять з емітера, тобто збільшити або зменшити струм бази.

Отже, керування роботою біполярного транзистора, на відміну від польового, відбувається не зміною електричного поля, прикладеного перпендикулярно до напрямку руху носіїв заряду, а зміною напруги, яка збігається з напрямком руху носіїв заряду, тобто зміною електричного струму бази. Тому біполярний транзистор, на відміну від польового, має вхідний струм і відносно невеликий вхідний опір, тобто на керування провідністю біполярного транзистора в колі бази витрачається певна потужність. Великий опір зміщеного в зворотному напрямку колекторного переходу дає змогу вибрати великий опір навантаження Rн, а тому потужність сигналу на виході може бути значно більшою за потужність, витрачену в колі емітерного переходу транзистора. Зміна напруги U_БЕ спричинює зміну струмів I_Б та I_Е, що відповідно змінює струм I_К. Отже, основними рівняннями, які характеризують роботу транзистора при постійних і змінних струмах, є такі:

I_Е = I_Б + I_К; (3.13)

ΔI_Е = ΔI_Б + ΔI_К. (3.14)

Оскільки біполярний транзистор — це напівпровідниковий прилад, керований струмом, основними фізичними параметрами, що характеризують його роботу і властивості, є коефіцієнти передачі струму емітера α і струму бази β при постійній напрузі U_КЕ:

; . (3.15)

Співвідношення між цими коефіцієнтами згідно з (3.9) можна записати так:

. (3.16)

Крім того, до основних параметрів біполярного транзистора належать диференціальні опори емітерного r_Е та колекторного r_К переходів і вхідний опір r_Б транзистора:

; ; . (3.17)

Слід мати на увазі, що на струм в колі емітер — колектор накладається зворотний струм колектора , зумовлений тепловою генерацією електронно-діркових пар поблизу колекторного переходу. Тому рівняння колекторного струму має вигляд

. (3.18)

Однак I_К0 <<I_Е і здебільшого струмом I_К0 нехтують. Із зростанням температури частка цього струму в загальному колекторному струмі значно зростає. Можна вважати, що струм I_К0 подвоюється при зростанні температури на кожні 10 °С. Це призводить до збільшення частки некерованого струму в складі I_К, що спричинює температурну нестабільність у роботі транзистора. Для запобігання цьому явищу необхідно вживати заходів щодо температурної стабілізації та температурної компенсації в транзисторних схемах.

Частотні властивості біполярних транзисторів зумовлюються двома факторами: ємностями n-p-переходів С_Е і С_К, які на високих частотах шунтують опори емітерного r_Е та колекторного r_К переходів (особливо значний вплив на високих частотах має ємність С_К), а також відставанням за фазою змінного колекторного струму від емітерного внаслідок інерційності процесу проходження носіїв заряду через базу. Час прольоту носіїв через базу у звичайних транзисторів дорівнює приблизно 0,1 мкс. На частотах у десятки мегагерців цей час призводить до зсуву фаз між змінними складовими струмів I_Е та I_К, через що зменшується коефіцієнт передачі струму β. Частота, якій відповідає зменшення коефіцієнта β в раза, називається граничною частотою транзистора f_β.

При практичному використанні транзисторів залежно від прикладених до їхніх електродів напруг розрізняють чотири режими роботи:

1. Режим активного підсилення, коли емітернии перехід зміщено в прямому напрямку, а колекторний — у зворотному. Цей режим є основним для побудови більшості схем радіоелектронних пристроїв.

2. Режим насичення, коли U_БЕ > U_КЕ, обидва переходи зміщено в прямому напрямку, струм I_К максимальний і практично не залежить від струму I_Б, транзистор повністю відкритий. Внаслідок малого опору відкритого колекторного переходу при великому струмі I_К в транзисторі розсіюється мала потужність, тому цей режим є основним при побудові перемикальних схем.

3. Режим відсікання струму, при якому обидва переходи закрито і через транзистор проходить лише струм I_Ко . Це теж режим перемикальних схем, який фіксує стан, протилежний станові насичення. Він використовується також при деяких нелінійних перетвореннях сигналів та у двотактних схемах.

4.Режим інверсійний, який характеризується тим, що до емітерного переходу підводиться зворотна напруга, а до колекторного — пряма, тобто емітер і колектор міняються місцями.

На рис. 3.21 показано типові ВАХ біполярного транзистора: вхідну (а), прямої передачі (б) і вихідні (в). Вони відрізняються від наведених у більшості довідників і загальноприйнятих тим, що на вихідних характеристиках за параметр прийнято не струм бази I_Б, а напругу база — емітер U_БЕ. Це дає змогу порівнювати їх з характеристиками польового транзистора і вести розрахунки в єдиній системі узагальнених Y-параметрів.

Як і в польових транзисторах, для визначення підсилювальних властивостей біполярного транзистора корисно користуватися крутістю характеристики прямої передачі

Рис. 3.21. Типові ВАХ біполярного транзистора: вхідна (а), прямої передачі (б) і вихідні (в)

сигналу

. (3.19)

Для біполярного транзистора можна записати основне рівняння, що об'єднує його фізичні параметри:

. (3.20)

Робочі частоти біполярних транзисторів лежать у межах десятків і сотень мегагерців. Діапазон керувальних напруг у малопотужних транзисторах становить десятки мілівольтів, а у транзисторів середньої потужності — сотні мілівольтів. Вони мають невеликий вхідний опір при вихідному опорі порядку десятків — сотень кілоомів.

Позначення польових і біполярних транзисторів у довідниках, на схемах і в технічних документах здійснюється за тією самою системою, що й напівпровідникових діодів. Тільки в другому елементі кодового запису після позначення виду напівпровідникового матеріалу для польових транзисторів застосовується літера П, а для біполярних — Т.

Читайте також:

1. ЛІЗМОН-транзистори
2. МДН- транзистори з індукованим каналом.
3. МДН-транзистори з вбудованим каналом
4. МЕН-транзистори (транзистори Шотки)
5. МНОН - транзистори
6. Польові транзистори з ізольованим затвором
7. Польові транзистори з керуючим переходом
8. Складені транзистори в компенсаційних стабілізаторах
9. Транзистори
10. Транзистори Шотки

Переглядів: 3191