3.2 Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Они имеют два p–n перехода. Точечная конструкция p–n переходов в транзисторах оказалась не перспективной – малые токи, неудовлетворительные рабочие параметры. Поэтому в настоящее время биполярные транзисторы имеют только плоскостную конструкцию p–n переходов.

3.2.1 Устройство, конструкция, принцип действия и графическое

обозначение.

Схематическое устройство биполярного транзистора показано на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схематическое устройство биполярного транзистора типа p-n-p (a) и типа n-p-n (б)

Он состоит из трёх полупроводников соединённых между собой, образуя два p–n перехода. Два крайних полупроводника имеют одинаковую проводимость, противоположную проводимости средней области. В зависимости от того, какой проводимости полупроводники используются в крайних и среднем положении транзисторы подразделяются на транзисторы типа p–n–p (рисунок 3.1,а), которые ещё называют транзисторами прямой проводимости и на транзисторы n–p–n (рисунок 3.1,б), которые ещё называют транзисторами обратной проводимости.

Полупроводник, находящийся в середине конструкции транзистора называется базой, а полупроводники, расположенные слева и справа от базы называются эмиттер и коллектор. Не смотря на кажущуюся симметрию конструкции транзистора относительно базы, полупроводник, соответствующий эмиттеру, заметно отличается уровнем примеси и конструкцией от полупроводника соответствующего коллектору. Поэтому при включении транзистора в схему замена эмиттера и коллектора местами не допустима.

Ещё одна особенность конструкции состоит в том, что толщина полупроводника, базы, на много меньше, чем толщина эмиттера и коллектора, что отображено на рисунке 3.1. Кроме этого, полупроводник базы на много меньше легирован, т.е. в нём плотность примесей на много меньше, чем в полупроводниках эмиттера и коллектора. Необходимость такой конструктивной особенности базы будет рассмотрена ниже.

По конструкции транзисторы подразделяются на корпусные и без корпусные. В обеих случаях полупроводники транзистора размещаются на жесткой изоляционной основе, которая называется «подложкой». Это может быть керамическая подложка. В корпусной конструкции транзистора подложка с полупроводниками находится в корпусе, защищающего полупроводники и выводы от внешних механических воздействий. Корпус выполняется из материала с хорошей проводимостью тепла, например, из металла или из термокерамики. Без корпусные транзисторы не имеют внешнего корпуса и используются при изготовлении интегральных микросхем.

Рассмотрим принцип действия биполярного транзистора. Как было сказано, в транзисторе два p–n перехода. Один образован соединением полупроводников эмиттера и базы и этот переход принято называть эмиттерным. Второй p–n переход образован соединением полупроводников базы и коллектора и его принято называть коллекторным переходом. В рабочем режиме транзистора эмиттерный переход должен быть под прямым напряжением, а коллекторный переход под обратным напряжением. Рассмотрим каждый из этих случаев. На рисунке 3.2,а показано подключение прямого напряжения к эмиттерному переходу биполярного транзистора типа p–n–p. Этому включению будет соответствовать В.А.Х. p–n перехода прямого включения (рисунок 2.2,б), при котором p–n переход открывается и через него возникает большой ток при малом напряжении. На рисунке 3.2,б показано обратное подключение напряжения к коллекторному переходу. Этому подключению будет соответствовать В.А.Х. p–n перехода обратного включения (рисунок 2.3,б). Величина тока здесь незначительная даже при достаточно большом напряжении.

Рисунок 3.2 – Принцип функционирования биполярного транзистора

На рисунке 3.2,в показано одновременное подключение прямого напряжения к эмитерному переходу U_бэ и обратного напряжения к коллекторному переходу U_кб. В рабочем режиме транзистора выполняется условие:

U_бэ << U_кб

В рассмотренном режиме имеют место следующие процессы. Под действием напряжения U_бэ открывается эмиттерный переход и основные носители, в нашем случае дырки, направляются в базу. В связи с тем, что база слабо легирована и имеет малые размеры, практически не происходит рекомбинация дырок в базе. Поэтому происходит насыщение базы дырками и их плотность оказывается сравнима с плотностью дырок в коллекторе.

Как было рассмотрено, p–n переход имеет место, если контактируют два полупроводника с разной проводимостью. Если контактируют два полупроводника одинаковой проводимости, то очевидно, что p–n переход отсутствует и электрические свойства определяются только омическими сопротивлениями полупроводников и величиной контактного сопротивления. При насыщении базы дырками до плотности, близкой к плотности коллектора исчезает коллекторный p–n переход и под действием напряжения U_кб дырки из базы устремляются в коллектор. Так как коллекторное напряжение (U_кб) на много больше базового напряжения (U_бэ) основная часть «дырок», прошедших в базу, проходит в коллектор, создавая коллекторный ток (I_к),а меньшая часть «дырок» попадает под действие базового напряжения, создавая базовый ток (I_б). Под действием двух напряжений U_бэ и U_кэ, соединенных последовательно – согласно создается эмиттерный ток (I_э). Связь эмиттерного, базового и коллекторного токов отображается, в соответствии с первым законом Кирхгофа, следующим очевидным равенством:

I_э=I_б+I_к

На рисунке 3.2,г показано как в рабочих схемах подается напряжение на биполярный транзистор. Как видно, отдельно подается напряжение на базу относительно эмиттера (U_бэ) и отдельно подается напряжение на коллектор относительно эмиттера (U_кэ). При этом соблюдается режим, когда эмиттерный p – n переход находится под прямым напряжением, а коллекторный переход находится под обратным напряжением.

На рисунке 3.3 представлены условные графические обозначения транзисторов.

Рисунок 3.3 – Условное графическое обозначение транзисторов

прямой проводимости (а,б) и обратной проводимости (в,г)

На рисунке 3.3,а,б представлены транзисторы типа p–n–p в корпусном исполнении (корпус представлен окружностью) и в без корпусном исполнении. На рисунке 3.3,в,г представлены транзисторы типа n–p–n в аналогичных исполнениях. Выводы транзисторов принято обозначать начальными буквами названий этих выводов.