Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярные транзисторы представляют собой тонкую пластинку слаболегированного германия или кремния с элек­тронной или дырочной проводимостью, на которой методом вплавления или диффузии получены два электронно-дырочных перехода.

Биполярные транзисторы (или просто транзисторы) имеют три вывода: коллектор К, базу Б и эмиттер Э (рис 3). В за­висимости от комбинации р-п перехода транзисторы делятся на два типа: р-п-р и п-р-п.

Рис. 3. Схема транзисторов типа р-п-р с прямой (а) и п-р-п с обрат­ной (б) проводимостями и их условные обозначения для р-п-р («) и для п-р-п (г): Э - эмиттер; Б - база; К - коллектор; рп_t - открытый р-п пе­реход; рп₂ - закрытый р-п переход.

При соединении полупроводников с различным типом проводимости на границе раздела образуется область, обед­нённая носителями тока {запирающий слой). Наличие трёх полупроводников в плоском триоде приводит к образованию двух запирающих слоев по обе стороны среднего полупро­водника (рт и pni ). Таким образом, полупроводниковый триод в отличие от диодов содержит два электронно-дырочных перехода.

Устройство германиевого биполярного транзистора типа р-п-р показано на рис. 3,а. В кристалл германия с элек­тронной проводимостью с двух сторон вплавлены кусочки индия, образующие области кристалла с дырочной проводи­мостью. Кристалл с электронной проводимостью имеет неинжектирующий вывод и называется базой транзистора. Об­ласть кристалла с дырочной проводимостью с п-р переходом малой площади называется эмиттером, а переход соответ­ственно называется эмиттерным п-р переходом. Область кристалла с дырочной проводимостью и п-р переходом большой площади называется коллектором, а переход назы­вается коллекторным. Условное обозначение транзистора типа р-п-р в электронных схемах показано на рис. 3, в.

Биполярный транзистор типа п-р-п (рис. 3,а) отличает­ся от транзистора типа р-п-р тем, что основной кристалл, об­разующий базу транзистора, имеет дырочную проводимость, а благодаря вплавлению или диффузии создаются у поверх­ности области кристалла, имеющие электронную проводи­мость. Условное обозначение транзистора типа п-р-п показа­но на рис. 3, г.

Обе разновидности транзистора отличаются только типом основных носителей заряда и полярностью внешних напря­жений. Принцип действия у них один и тот же. Поясним его на примере транзистора типа р-п-р, включение которого в цепь источников питания показано на рис. 4.

Рис. 4. Принцип действия транзистора типа р-п-р.

Для того чтобы полупроводниковый триод усиливал вход­ной сигнал, его надо соединить с двумя внешними источни­ками тока так, чтобы один электронно-дырочный переход был включен в пря­мом направлении, а второй - в обратном (рис. 4.).

Переход, вклю­чаемый в прямом на­правлении, называют эмиттерным, а переход, включаемый в обратном направлении - коллекторным.

Источник ЭДС Е_к выходной цепи транзистора включен между коллектором и базой в непроводящем направлении, поэтому коллекторный п-р переход закрыт и через него про­ходит только небольшой тепловой ток I _КБО , обусловленный дрейфом через коллекторный переход неосновных носителей зарядов: электронов (-) из коллектора в базу и дырок (+) из базы в коллектор.

Если во входную цепь транзистора включить в прямом направлении источник Е_э, то эмиттерный п-р переход откро­ется и через него в обоих направлениях пойдут основные но­сители зарядов: электроны из базы в эмиттер и дырки из эмиттера в базу через открытый рп₁ переход.

Поскольку дырки в базе являются неосновными носите­лями зарядов, а ширина базы меньше диффузионной длины, на которую успевают продвинуться дырки до рекомбинации (нейтрализации) с электронами, то подавляющее большинст­во дырок, инжектированных из эмиттера в базу, создадут диффузионный ток в направлении к коллекторному п-р пере­ходу и там, попадая в электрическое поле закрытого коллек­торного перехода, создадут дрейфовый ток, вызывая резкое увеличение коллекторного тока. В силу закона электриче­ской нейтральности заряды дырок, прошедших из эмиттера через базу в коллектор, будут компенсированы свободными электронами, приходящими в коллектор из внешней цепи и создающими в ней ток коллектора I _К .

Электроны, являющиеся основными носителями зарядов в базовой области транзистора, под действием электрического поля источника ЭДС Е_э пройдут через эмиттерный п-р пере­ход и создадут ток базы транзистора

Одной из характеристик транзистора является коэффици­ент передачи по току а = (при U = const ).Как правило, а = 0,92-0,99.

Если не учитывать очень малый по величине тепловой ток коллектора I _кбо , томожно в соответствии с первым законом Кирхгофа написать:

откуда

или