Учебник. Электронно-дырочный переход. Транзистор

Учебник. Электронно-дырочный переход. Транзистор

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (n_n >> n_p). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (n_p >> n_n). При контакте двух полупроводников n— и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p— и n-областями запирающее напряжение U_з, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых.

n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p— и n-типов

Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 1.14.2.

Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы. Например, германиевый транзистор p–n–p-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 1.14.3). В транзисторе n–p–n-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис. 1.14.4).

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Транзистор структуры p–n–p Транзистор структуры n–p–n

Оба n–p-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 1.14.5 показано включение в цепь транзистора p–n–p-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

Включение в цепь транзистора p–n–p-структуры

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток I_э. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток I_к. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.

Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера I_э. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы I_б = I_э – I_к. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см 2 может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.

Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.

Источник тока на ОУ и транзисторе

Предлагаем очень несложную конструкцию аналогового генератора постоянного тока общего назначения, с использованием легко доступных компонентов. Это действительно простая схема, которую легко собрать, и она очень полезна, особенно если вы хотите провести эксперименты с мощными светодиодами и так далее. Вот полная схема аналогового генератора постоянного тока. Схемотехника и теория работы просты и понятны.

Схема аналогового источника постоянного тока

Поскольку это источник постоянного тока, то есть своеобразная электронная нагрузка, он адаптирован для работы со слаботочным независимым блоком питания 12 В. Силовая часть схемы — это доступный мощный полевой МОП-транзистор IRF3205, рассматриваемый как переменный резистор. Обратите внимание, что силовой полевой транзистор можно также использовать в линейном (а не переключающем) режиме, и тогда он обычно рассматривается как переменный резистор.

Следующим ключевым элементом в этой схеме является трехконтактный программируемый диод шунтирующего стабилизатора TL431A. Также есть микросхема маломощного двойного операционного усилителя — LM358.

Принцип работы источника тока на ОУ

Принцип работы аналогового источника тока: когда нагрузка постоянного тока находится под напряжением, на силовом резисторе 1 Ом (R4) создается небольшое напряжение, которое подается на инвертирующий вход (контакт 2) IC1. Это положительное напряжение инвертируется IC1, уменьшая напряжение на выходе (вывод 1), что дополнительно снижает напряжение на R4 через T1. Это стабилизирует выходное напряжение до значения, которое окажется на его неинвертирующем входе (вывод 3). Любое изменение тока через R4 вызывает изменение напряжения на выводе 2, которое точно компенсируется отрицательной обратной связью. В результате через силовой резистор и подключенную нагрузку протекает постоянный ток.

Опорное напряжение составляет около 2,5 В, использовалась TL431A (VR1) в качестве источника опорного напряжения, потому что микросхема была под рукой. Также можно попробовать другие, более дешевые идеи создания постоянного опорного напряжения. Потенциометр 10K (TM1) предназначен для точной настройки тока, и, следовательно, 10-оборотный точный многооборотный подстроечный резистор был бы лучше, чем обычный, который использовался в данном случае.

Обратите внимание, что когда через R4 протекает ток 1 А, на нём будет 1 В. И максимальное опорное напряжение, которое может видеть IC1, будет около 1,2 В. Опорное напряжение 2,5 В дополнительно уменьшено цепью резисторов R2 — TM1 примерно до 1,2 В.

Далее была сделана быстрая тестовая версия на макетной плате. Стоит обратить внимание на то, что эту схему довольно легко заставить возбуждаться, а это нежелательно и может затруднить точную регулировку тока нагрузки. Более того, силовой резистор 1 Ом должен рассеивать довольно много энергии, да и силовой полевой транзистор должен использоваться с подходящим радиатором.

Испытания собранного устройства

Сначала тестировался прототип с белым светодиодом 12 В / 10 Вт, и подключенный осциллограф показывает, что нет никаких лишних колебаний. А затем тестировался до 12 А, используя старый резистор 0,1 Ом / 20 Вт вместо резистора по схеме 1 Ом / 5 Вт. Конечно также поменян радиатор на более мощный. По паспортным данным транзистор IRF3205 может выдерживать ток 100 А, но при достаточном охлаждении.

Теперь о нескольких вещах, которые необходимо учесть при сборке. Во-первых, для схемы генератора постоянного тока следует использовать отдельный источник питания 12 В. Затем, если решите использовать другой операционный усилитель, то выберите ОУ с питанием от шины к сети, поскольку он будет лучше, чем операционный усилитель LM358, который использовался тут. Кроме того, важно уделять внимание номинальным характеристикам компонентов в цепи силовой электроники. Неправильный выбор может привести к серьезным бедствиям, таким как перегрев.

Если что, можете заменить опорное напряжение аналоговым (или широтно-импульсным сигналом с цифровым управлением). Это более условно и легче для понимания, поэтому я не буду сейчас вдаваться в подробности. В таких случаях неиспользуемый второй операционный усилитель будет выступать в качестве буфера с единичным усилением — повторитель напряжения. Входное сопротивление буфера операционного усилителя очень высокое, а выходное очень низкое. Такое включение помогает решить проблемы согласования сопротивлений. Такое включение помогает решить проблемы согласования сопротивлений.

Практические схемы токовых нагрузок

На базе операционного усилителя и полевого транзистора и делают большинство схем источников тока или токовых нагрузок. Практические примеры конструкций смотрите далее.

Самодельная полка-кассетница для хранения мелких деталей и других электрических компонентов.

Используйте технологию дополненной реальности, чтобы легко ремонтировать и отлаживать радиоэлектронные проекты в онлайн режиме.

Простой переходник для корпусов TQFP с самоцентрированием микросхемы, собранный своими руками.

Справочная информация по микросхеме 555 — характеристики, схема подключения, распиновка и аналоги таймера.

В чем разница между NPN и PNP транзисторами?

Существует два основных типа транзисторов – биполярные и полевые. Биполярные транзисторы изготавливаются из легированных материалов и могут быть двух типов – NPN и PNP. Транзистор имеет три вывода, известные как эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). На рисунке, приведенном ниже, изображен NPN транзистор где, при основных режимах работы (активном, насыщении, отсечки) коллектор имеет положительный потенциал, эмиттер отрицательный, а база используется для управления состоянием транзистора.

Физика полупроводников в этой статье обсуждаться не будет, однако, стоит упомянуть, что биполярный транзистор состоит из трех отдельных частей, разделенных двумя p-n переходами. Транзистор PNP имеет одну N область, разделенную двумя P областями:

Транзистор NPN имеет одну P область, заключенную между двумя N областями:

Сочленения между N и P областями аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть с прямым и обратным смещением p-n перехода. Данные устройства могут работать в разных режимах в зависимости от типа смещения:

• Отсечка: работа в этом режиме тоже происходит при переключении. Между эмиттером и коллектором ток не протекает, практически «обрыв цепи», то еесть «контакт разомкнут».
• Активный режим: транзистор работает в схемах усилителей. В данном режиме его характеристика практически линейна. Между эмиттером и коллектором протекает ток, величина которого зависит от значения напряжения смещения (управления) между эмиттером и базой.
• Насыщение: работает при переключении. Между эмиттером и коллектором происходит практически «короткое замыкание» , то есть «контакт замкнут».
• Инверсный активный режим: как и в активном, ток транзистора пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Используется очень редко.

В транзисторе NPN положительное напряжение подается на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подается на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течет от коллектора (К) к эмиттеру (Э):

А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:

Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.

PNP и NPN работают почти одинаково, но их режимы отличаются из-за полярностей. Например, чтобы перевести NPN в режим насыщения, U_Б должно быть выше, чем U_К и U_Э. Ниже приводится краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:

Основным принципом работы любого биполярного транзистора является управление током базы для регулирования протекающего тока между эмиттером и коллектором. Принцип работы NPN и PNP транзисторов один и тот же. Единственное различие заключается в полярности напряжений, подаваемых на их N-P-N и P-N-P переходы, то есть на эмиттер-базу-коллектор.

Как протекает ток в транзисторе

Управление током и усиление сигналов в схемах полупроводниковой электроники осуществляют с помощью транзисторов.

Рис. 1.5. Схемные обозначения транзисторов: а — p-n-p-тип; б — n-p-n-тип

Рис. 1.6. Распределение токов (а) и потенциалов (б) в транзисторе p-n-p типа

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с чередующейся проводимостью и снабженный тремя выводами (электродами) для подключения к внешней цепи. Поскольку до настоящего времени биполярные транзисторы являются наиболее распространенным видом транзисторов, часто их называют просто транзисторами, опуская термин «биполярный».

На рис. 1.5,а и б показано схемное обозначение двух типов транзисторов p-n-p-типа со слоями p, n и p и n-p-n-типа со слоями n, p и n. Крайние слои называют эмиттером (Э) и коллектором (К), между ними находится база (Б). В трехслойной структуре имеются два электронно-дырочных перехода: эмиттерный переход между эмиттером и базой и коллекторный переход между базой и коллектором. В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний.

При изготовлении транзистора обязательно должны быть выполнены два условия:

1) толщина базы (расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2) концентрация примесей (и основных носителей) заряда в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе в p-n-p транзисторе).

Рассмотрим принцип действия p-n-p транзистора.

Транзистор включают последовательно с сопротивлением нагрузки в цепь источника коллекторного напряжения . На вход транзистора подается управляющая ЭДС , как показано на рис. 1.6, а. Такое включение транзистора, когда входная и выходная цепи имеют общую точку — эмиттер, является наиболее распространенным и называется включением с общим эмиттером (ОЭ).

При отсутствии напряжений эмиттерный и коллекторный переход находятся в состоянии равновесия, токи через них равны нулю в соответствии с выражением (1.1). Оба перехода имеют двойной электрический слой, состоящий из ионов примесей, и потенциальный барьер , различный на каждом из переходов. Распределение потенциалов в транзисторе при отсутствии напряжений показано на рис. штриховой линией.

Полярность внешних источников . выбирается такой, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение (минус источника подан на базу, плюс — на эмиттер), а на коллекторном переходе — обратное напряжение (минус источника — на коллектор, плюс — на эмиттер), причем напряжение (напряжение на коллекторном переходе При таком включении источников распределение потенциалов в транзисторе имеет вид, показанный на рис. 1.6, б сплошной линией. Потенциальный барьер эмиттерного перехода, смещенного в прямом направлении, снижается, на коллекторном переходе потенциальный барьер увеличивается.

В результате приложения к эмиттерному переходу прямого напряжения начинается усиленная диффузия (инжек-ция) дырок из эмиттера в базу. Электронной составляющей диффузионного тока через эмиттерный переход можно пренебречь, так как , поскольку выше оговаривалось условие . Таким образом, ток эмиттера . Под воздействием сил диффузии в результате перепада концентрации вдоль базы дырки продвигаются от эмиттера к коллектору.

Поскольку база в транзисторе выполняется тонкой, основная часть дырок, инжектированных эмиттером, достигает коллекторного перехода, не попадая в центры рекомбинации. Эти дырки захватываются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, так как это поле является ускоряющим для неосновных носителей — дырок в базе -типа. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь, источник При увеличении тока эмиттера на величину ток коллектора возрастет на Вследствие малой вероятности рекомбинации в тонкой базе коэффициент передачи тока эмиттера .

Небольшая часть дырок, инжектированных эмиттером, попадает в центры рекомбинации и исчезает, рекомбинируя с электронами. Заряд этих дырок остается в базе, и для восстановления зарядной нейтральности базы из внешней цепи за счет источника в базу поступают электроны. Поэтому ток базы представляет собой ток рекомбинации .

Помимо указанных основных составляющих тока транзистора надо учесть возможность перехода неосновных носителей, возникающих в базе и коллекторе в результате генерации носителей, через коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение. Этот малый ток (переход дырок из базы в коллектор и электронов из коллектора в базу) аналогичен обратному току перехода, он также называется обратным током коллекторного перехода или тепловым током и обозначается (рис. 1.6, а).

Таким образом, полный коллекторный ток, определяемый движением всех носителей через коллекторный переход,

Из закона Кирхгофа для токов и выражения (1.2) следует

Выражения (1.2), (1.3) показывают, что токи в транзисторе связаны линейными соотношениями.

Преобразуем (1.2) так, чтобы выявить зависимость коллекторного тока от тока базы. Для этого из (1.3) получим

И подставим это значение в (1.2):

Обозначим коэффициент передачи тока базы , а ток обозначим . Тогда

Если учесть, что мал и , зависимость тока коллектора от тока базы может быть записана и в виде

где — статический коэффициент передачи тока транзистора, который приводится в справочниках.

Транзистор является трехполюсником, поэтому источник входного сигнала и нагрузка могут быть подключены к нему различным образом. В наиболее распространенном включении по схеме с общим эмиттером (рис. 1.6) источником входного напряжения является , входным током базовый ток . Нагрузка включается в коллекторную цепь. Эмиттер является общей точкой для входной и выходной цепей. Изменяя малый ток базы (входной ток) на значение , тем самым изменяем выходной ток в соответствии с выражением (1.4). При этом изменяется ток и падение напряжения на нагрузке на значение . изменяется мощность, выделяемая на резисторе Таким образом, при изменении малого тока в цепи источника малого напряжения изменяется отдача мощности источником резистор , причем .

При включении транзистора по схеме с общей базой входным током является ток эмиттера, через нагрузку протекает ток коллектора, причем , т. е. выходной ток меньше входного. Изменяя малое напряжение на эмиттерном переходе, можно изменить ток в цепи источника и получить приращение напряжения на нагрузке , т. е. усилить сигнал по напряжению.

Отсутствие усиления по току является недостатком включения с ОБ, из-за которого эта схема применяется в устройствах промышленной электроники весьма редко и в данном курсе не рассматривается.

Принцип действия транзистора аналогичен, лишь направление токов, знаки носителей заряда и полярность приложенных напряжений противоположны тем, которые имеют место в рассмотренном p-n-p транзисторе.