Как работает транзистор, транзисторный кристал - усилитель, сходство с радиолампой

Как работает транзистор, транзисторный кристалл усиливает напряжение и ток, сходство с радиолампой.

Наблюдается некоторое подобие общей схемы действия транзистора и обычного вакуумного триода.

В транзисторе можно найти электрод, аналогичный катоду радиолампы, функцией которого является испускание элементарных заряженных частиц, так называемый эмиттер.

Далее, имеется пространство, в котором эти частицы распространяются, называемое базой. И, наконец, есть электрод, подобный аноду, собирающий на себе основную массу испущенных эмиттером зарядов — коллектор.

Рис. 1. Можно обнаружить некоторое сходство в принципах действия транзистора и электронной лампы.

Управлять током коллектора можно путем сообщения базе того или иного потенциала относительно эмиттера. Таким образом, база может быть уподоблена управляющей сетке.

Однако эта аналогия дает весьма поверхностное приближение к процессам, происходящим в транзисторе. В действительности они значительно сложнее и существенно отличаются от процессов, с которыми мы встречаемся в вакуумных электронных лампах.

Коренное отличие состоит в том, что все процессы в транзисторе происходят не в вакууме, а в объеме кристаллической решетки особым образом приготовленного полупроводника, большей частью германия.

Несмотря на то, что химики относят элемент германий к металлам, его электрические свойства резко отличаются от свойств хорошо знакомых нам металлов-проводников и механизм электропроводности германия совершенно иной.

В отличие от проводниковых металлов, у которых колоссальное количество электронов не связано с определенными атомами и может свободно переносить электрические заряды через объем проводника, образуя при приложении внешнего напряжения электрический ток, в кристаллах германия подавляющая масса электронов довольно жестко связана с определенными атомами, причем именно эти закономерные связи атомов посредством электронов и обусловливают кристаллическую структуру германия (рис. 2).

Поэтому электрическое сопротивление чистого германия обычно превышает сопротивление проводниковых металлов в тысячи раз.

Рис. 2. Прочность кристаллической решетки германия объясняется тем, что каждый атом германия посредством своих четырех внешних электронов вступает в связи с четырьмя атомами-соседями; однако, свободных электронов не остается и кристалл не проводит электрического тока.

Однако при повышении температуры, освещении кристалла и некоторых других воздействиях наблюдается резкое снижение сопротивления германия. Современная физика объясняет это тем обстоятельством, что связи некоторой части электронов с атомами германия недостаточно прочны и при определенных внешних воздействиях легко нарушаются, причем высвобождаются сразу носители электрических зарядов двух видов (рис. 3): электроны (носители отрицательного электричества) и так называемые «дырки» (носители положительного электричества).

Рис. 3. При вырывании электрона из связи одновременно появляются два носителя электричества: электрон (— и дырка (4-).

Дыркой образно назвали то место, в котором находился высвобожденный из связи электрон.

По сути дела дырка представляет собой не какую-то особую частицу, а просто излишек положительного электричества, появляющийся в районе атомов, связь между которыми нарушена из-за ухода электрона.

При этом оказывается, что дырка может передвигаться подобно высвобожденным из связей электронам. Подвижность дырки объясняют не перемещением атомое с некомпенсированным положительным зарядом — они очень прочно удерживаются в соответствующих узлах кристаллической решетки, а способностью перескакивать на место нарушенной связи одного из электронов, участвующих в связях соседних атомов, причем первоначальная дырка пропадает, а появляется дырка рядом и т. д., как бы по эстафете (рис. 4).

Прохождение электрического тока через кристалл германия объясняется вступлением  свободных электронов и дырок в направленное движение под влиянием внешнего напряжения.

Электроны движутся при этом, как и в проводниках, от минуса к плюсу, а дырки, являясь носителями положительного заряда, — навстречу: от плюса к минусу. Полный ток равен сумме электронного и дырочного токов.

Описанный механизм проводимости свойствен не только германию, но и всему классу полупроводниковых материалов, в том числе и кремнию.

Рис. 4. Подвижность дырки объясняется возможностью связанных электронов перескакивать из одной связи в другую, причем дырка перемещается навстречу перескочившему электрону.

Отличительными особенностями поведения носителей электричества в полупроводниках является способность их к диффузии и рекомбинации.

Высвобожденные тем или иным способом электроны и дырки хаотично перемещаются по объему кристалла. Однако наряду с их беспорядочным движением всегда наблюдается и направленное перемещение носителей в те области кристалла, где их количество (точнее концентрация) меньше, что приводит к выравниванию концентрации носителей заряда по объему кристалла.

Такое самопроизвольное выравнивание концентрации носителей по своей природе аналогично распространению тепла в металлических предметах от нагретого участка к холодному и называется диффузией.

Суть рекомбинации состоит в том, что носители противоположных знаков, путешествуя по объему кристалла, могут при встрече пропадать: свободный электрон, попадая в дырку, восстанавливает утраченную здесь когда-то связь и лишается дальнейшей свободы перемещения. Одновременно, разумеется, пропадает и дырка. В связи с этим говорят об ограниченном «времени жизни» носителей электричества в полупроводниках.

Сильно увеличить электропроводность полупроводников удается путем введения самых Ничтожных количеств некоторых посторонних примесей. Выбирая соответствующую примесь, можно получить кристаллы германия с ярко выраженной электронной проводимостью и подавленной дырочной (так называемый германий п-типа) или, наоборот, с преобладающей дырочной проводимостью (германий p-типа).

Дело в том, что атомы примеси могут, не нарушая структуры кристаллической решетки германия, внедряться в ее узлы вместо отдельных атомов германия. При этом, если число внешних электронов у примесных атомов не равно числу их у атомов германия, либо остаются лишние электроны, либо образуются дополнительные дырки, чем объясняется как увеличение проводимости, так и преобладание того или иного типа проводимости (рис. 5).

Рис. 5. Замещая отдельные атомы германия атомами других веществ, например, сурьмы (Sb), имеющими пять валентных электронов, или индия (In), имеющими три валентных электрона, можно получать' в кристалле дополнительные свободные электроны (а) или дырки (б).

Типичный современный транзистор (плоскостной) представляет собой монокристалли-ческую пластинку, в которой благодаря введению особых примесей образованы три области с чередующимися типами проводимости: р—п—р или п—р—п.

Дальнейший рассказ мы поведем применительно к транзистору наиболее распространенного типа р—п—р, хотя принципы работы транзисторов типа п—р—п совершенно аналогичны, с той лишь разницей, что электроны и дырки обмениваются функциями.

Основную роль в процессах, происходящих в транзисторе, играют так называемые электронно-дырочные переходы (р —п-переходы) — границы раздела областей с противоположными типами проводимости.

В транзисторе таких переходов два.

Если включить один р—п-переход в цепь переменного тока (рис. 6), то нетрудно обнаружить, что ему присущи свойства выпрямителя: для тока одного направления он представляет очень малое сопротивление (единицы ом), а для тока обратного направления — очень большое (сотни килоом).

Объясняется это следующим образом. В связи с тем, что концентрации свободных электронов и дырок в р- и п-областях различны, при возникновении р—п-перехода сразу же начинается диффузия носителей электричества через переход: дырки из области p-типа, где их концентрация велика, переходят в n-область, где их мало, а электроны, наоборот, из n-области в p-область.

Рис. 6. При включении р—п-перехода в цепь переменного тока обнаруживаются присущие ему свойства выпрямителя.

Это приводит к тому, что n-область приобретает положительный заряд, а p-область заряжается отрицательно (рис. 7). На границе же раздела областей появляется электрическое поле этих зарядов, причем оно (E, рис. 7) противодействует дальнейшему переходу носителей через границу.

Рис. 7. В результате диффузионного смещения носителей через р—n-переход при его образовании на границе раздела возникает потенциальный барьер.

В результате на границе раздела п- и р-областей возникает устойчивый потенциальный барьер, характеризующийся динамическим равновесием сил диффузии носителей и встречного поля.

Если теперь приложить к р—п-переходу внешнее напряжение так, что к положительно заряженной п-области будет присоединен плюс, а к отрицательно заряженной р-области— минус (рис. 8,а), то исходный потенциальный барьер будет еще более повышен и через р—n-переход удастся прорваться лишь ничтожному количеству носителей тока.

Следовательно, электрическое сопротивление р—n-перехода будет велико, а ток через него — очень мал (у хороших переходов — меньше 1 мка) во всем интервале рабочих напряжений. Такое включение р—n-перехода называют обратным.

Если же к n-области приложить минус, а к р-области — плюс внешнего источника напряжения (рис. 8,6), то дырки, внедряющиеся из p-области в n-область, легко будут компенсироваться электронами, поступающими из внешней цепи от присоединенного к я-области отрицательного полюса источника, а электроны, переходящие из n-области в p-область, будут уходить к присоединенному к p-области положительному полюсу источника.

Рис. 8. Поведение р—n-перехода при приложении обратного (а) и прямого (б) напряжения.

Потенциальный барьер упадет, условия перехода носителей через него облегчатся, и все новые и новые количества дырок будут поступать из p-области в n-область.

При таком включении перехода, называемом прямым, ток через переход может достигать колоссальных значений, губительных для пластинки германия, если в цепь не введено ограничивающее ток сопротивление.

Варьируя количество примесей, введенных в р- и n-области, можно добиться преобладания в прямом токе либо дырочной, либо электронной составляющей.

В принципе конструкция транзистора симметрична:посредине — область с одним типом проводимости, по краям ее — области с другим типом проводимости.

Рис. 9. Схема подачи питания на электроды транзистора типа р—n—р (а) и условное обозначение такого транзистора (б); э—эмиттер; б — база; к — коллектор.

Рис. 10. Обратный ток коллектора Iko, измеряемый при отключенном эмиттере, является важной характеристикой транзистора.

Однако для того чтобы такой прибор начал проявлять усилительные свойства, его надо превратить в несимметричный прибор путем подачи питания на один переход в прямом направлении, а на другой — в обратном (рис. 9).

Переход, включаемый в прямом направлении, называют эмиттерным, а в обратном — коллекторным. В соответствии с этим присваивают различные названия (эмиттер и коллектор) крайним областям, обладающим одинаковым типом проводимости.

Если бы не было эмиттерного перехода вблизи коллекторного, то ток в цепи коллектора был бы ничтожно малым, так как коллекторный переход включен в обратном направлении. Такое явление наблюдается при отключении эмиттера от источника питания его (рис. 10).

Ток, проходящий при этом через коллектор, называют обратным током коллектора, обозначают Iko и считают важным параметром транзистора, характеризующим качество, температурную стабильность и ряд других свойств прибора. Обычно чем меньше значение I_ко, тем доброкачественнее транзистор.

При пропускании прямого тока через эмит-терный переход нетрудно заметить, что ток коллектора существенно возрастает и приобретает значение, близкое к значению тока эмиттера. Это явление можно понять, рассмотрев механизм прохождения тока в транзисторе, поясняемый рис. 11.

При изготовлении транзистора р-область эмиттера насыщают примесью, создающей дырочную проводимость, в значительно большей мере, чем область' базы примесью, дающей электронную проводимость.

В результате концентрация дырок в эмиттере оказывается значительно больше не только концентрации дырок в области базы, но даже концентрации электронов в базе. Поэтому прямой ток, проходящий через эммитерный переход, в основном состоит из дырок, поступающих из эмиттера в базу (а на рис. 17), и лишь в ничтожной части — из электронов, переходящих из базы в эмиттер (б на рис. 17).

Рис. 11. Схема распределения тока эмиттера в плоскостном транзисторе типа р—n—р.

• а—инъекция дырок;
• б—электронная составляющая эмиттерного-тока:
• в—диффузия дырок в базе;
• г—-рекомбинация в базе;
• д— „дрейф" дырок через коллекторный переход под действием поля Е_к;
• е—рекомбинация в коллекторе;
• ж—приток электронов к коллекторному переходу из внешней цепи;
• з—-уход электронов из эмиттера во внешнюю цепь.

Происходит так называемая инъекция (впрыскивание) дырок эмиттером в базу, аналогичная эмиссии электронов из катода вакуумной электронной лампы. Впрыснутые в базу дырки имеют ограниченное «время жизни», в течение которого они должны рекомбинировать с электронами.

Однако благодаря диффузии впрыснутые дырки начинают перемещаться в область базы, прилегающую к коллектору, где их концентрация меньше (в на рис. 11).

Толщина базы в транзисторе очень мала (десятки и даже единицы микрон). Поэтому, несмотря на относительно малую скорость диффузионного перемещения, по пути к коллектору успевает рекомбинировать (г на рис. 11) весьма малая доля общего количества дырок, впрыснутых эмиттером.

Попадая же в область коллекторного перехода, к которому приложено значительное обратное напряжение, дырки подвергаются действию сильного ускоряющего поля, втягиваются им и моментально захватываются коллектором (д на рис. 11), где и «оканчивают жизнь» за счет рекомбинации (е на рис. 17) с электронами, поступающими (ж на рис. 11) из источника питания коллекторной цепи Б_к.

Несмотря на непрерывную инъекцию дырок эмиттером, запасы их в эмиттере не убавляются, так как одновременно с переходом дырок из эмиттера в базу эмиттер покидает соответствующее количество электронов (з на рис. 11), уходящих во внешнюю цепь к положительному зажиму источника Б_э, в результате чего в эмиттере появляются новые дырки.

Таким образом, под действием батареи Б_э в эмиттере непрерывно генерируются пары электрон—дырка, причем электроны выходят во внешнюю цепь, а дырки благодаря инъекции через эмиттерный переход, диффузии через базу и захвату коллектором в основном добираются до коллектора, где рекомбинируют и вызывают этим приток соответствующего числа электронов из источника Б_к.

За вычетом небольшого тока базы, связанного с электронной составляющей тока через эмиттерный переход и частичной рекомбинацией дырок в области базы, ток, введенный в эмиттер, передается в цепь коллектора.

Транзистор в роли усилителя

Изменяя ток эмиттера, можно тем самым менять и ток коллектора. Поскольку эмиттерный переход работает в прямом направлении, напряжение, прикладываемое к зажимам эмиттер — база, мало (порядка 0,1—0,2 в). Коллекторный переход, работающий в обратном направлении, напротив, допускает питание достаточно высоким напряжением (до нескольких десятков вольт).

Из этих соображений уже очевидна возможность усиления с помощью транзистора, ибо ток, вводимый в цепь эмиттера при малом напряжении, передается в цепь коллектора со значительно большим напряжением.

Схема простейшего усилителя с транзистором показана на рис. 12.

Рис. 12. Принципиальная схема усилителя с общей базой.

Исходная рабочая точка транзистора однозначно определяется током эмиттера и напряжением на коллекторе. Выбор рабочей точки обеспечивается соответствующим выбором источников питания Ба и Б_к и ограничивающего ток эмиттера сопротивления R₀.

В цепь эмиттера, кроме того, вводится усиливаемый сигнал (в схеме на рис. 13 — при помощи трансформатора Тр). В цепь коллектора включается полезное нагрузочное сопротивление Rн.

Рис. 13. Основная схема усилителя на транзисторе с общим эмиттером (для упрощения цепи питания не показаны).

Входное сопротивление триода мало, так как эмиттерный переход включен в прямом направлении. Сопротивление же нагрузки Rн можно взять достаточно большим при надлежащем выборе напряжения батареи Б_к.

Тогда мощность сигнала в нагрузочном сопротивлении будет больше мощности, подводимой к транзистору, потому что ток сигнала, введенный во входную цепь с малым сопротивлением, передается транзистором почти без потерь (i_к~ia) в выходную цепь с большим сопротивлением. Таким образом, будет иметь место усиление мощности сигнала.

Рассматриваемая схема включения транзистора называется схемой с общей базой, так как вывод базы является общим для входной и выходной цепей транзистора.

Для этой схемы характерно отсутствие усиления по току (i_к~ia) . Усиление по напряжению и мощности возможно лишь при условии, что полезное сопротивление нагрузки-больше, чем входное сопротивление транзистора.

Значительно большее усиление может быть получено в схеме с общим эмиттером, которую вообще считают основной схемой включения транзистора (рис. 13).

В этой схеме сигнал по-прежнему подводится к эмиттерному переходу, включенному в прямом направлении. Однако нагрузочное сопротивление присоединено своим нижним концом уже не к базе, а к эмиттеру. При этом источнику усиливаемого сигнала приходится создавать не весь ток эмиттера, а только ту небольшую его часть, которая теряется по пути от эмиттера к коллектору, равную току базы:

Поэтому при таком включении входное сопротивление транзистора оказывается в десятки раз выше, чем у схемы с общей базой, появляется заметное усиление по току и сохраняется практически прежнее усиление по напряжению.

Иногда применяется третья схема включения транзистора — с общим коллектором.

Эта схема (рис. 14) похожа по своим свойствам на схему катодного повторителя с электронной лампой: усиление по напряжению отсутствует (u_вых~=u_вх), входное сопротивление особенно велико (до единиц мегом), выходное сопротивление очень мало (десятки ом).

Однако эта схема дает небольшое усиление по мощности и применяется только в особых случаях.

Рис. 14. Усилитель по схеме с общим коллектором (для упрощения цепи питания не показаны).

В отличие от ламповых схем усиление устройств с транзисторами, как правило, оценивают с помощью коэффициента усиления по мощности.

Как известно, лампа в наиболее распространенной схеме включения (с общим катодом) требует шунтирования входной цепи (сетка — катод) сопротивлением, существенно меньшим (0,2—1 Мом), чем входное сопротивление собственно лампы (десятки мегом).

Обычно еще меньшие значения сопротивлений (десятки и сотни килоом) приходится выбирать для нагрузочных сопротивлений.

При этом для возбуждения собственно лампы очередного каскада тратится ничтожно малая доля всей мощности, создаваемой предыдущим каскадом и в основном рассеиваемой в схемных сопротивлениях.

Поэтому вопрос об усилении по мощности в ламповых схемах обычно отступает на задний план.

Рис. 15. Схема подачи питания на электроды транзистора типа n—р—n (а) и условное обозначение такого транзистора (б) (ср. с рис 15).

У транзисторов же из-за присущего им относительно низкого входного сопротивления довольно легко избежать существенных потерь мощности усиливаемого сигнала в схемных элементах и передавать на возбуждение следующего транзистора основную часть всей мощности, развиваемой .предыдущим транзистором.

Поэтому более наглядным и правильным оказывается рассмотрение коэффициента усиления по мощности, тем более что задачей всякого усилителя в конечном счете является именно усиление мощности сигнала.

Все сказанное о транзисторах типа р—n—р может быть перенесено и на транзисторы типа n—р—n если только не забыть о том, что функции электронов и дырок у них противоположные. В связи с этим и полярности питающих напряжений для транзисторов типа n—р—n обратные (рис. 15).

Наличие транзисторов, имеющих противоположные полярности питания, позволяет осуществлять ряд оригинальных схем, отсутствующих в ассортименте ламповых схем.

Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.