Основные понятия и определения электроники. Компонентная база электроники, страница 6

В 1947 г. сотрудники американской компании Bell Telephone Labs Вильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин получили первый патент на полупроводниковый триод, который они назвали transistor – от слов transfer и resistor. И это было поистине величайшим из открытий в истории. Транзистор определяет облик современной цивилизации. Цветное телевидение, персональные компьютеры, сотовые телефоны – все это появилось благодаря транзистору. На сегодняшний день транзистор – самое массовое изделие в мире. С учетом транзисторов, входящих в состав интегральных микросхем, в год в мире выпускается порядка 10²⁰ транзисторов, что сравнимо с числом звезд в видимой Вселенной. Скорость переключения транзисторов достигает 10^-12 секунды. Человеку потребовалось бы 25 000 лет, чтобы сделать столько переключений, сколько транзистор делает за одну секунду. Размеры современных транзисторов таковы, что в кубе с длиной стороны 5 мм можно разместить до 200 миллионов транзисторов.

Бывают биполярные транзисторы, полевые транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором.

Биполярный транзистор (bipolar transistor) – это транзистор на основе двух p-n переходов с тремя электродами, которые называются база, коллектор и эмиттер. Биполярные транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n. Их условные обозначения приведены на рис. 2.7.

Рассмотрим принцип работы биполярного транзистора на основе транзистора p-n-p типа. Его внутренняя структура показана на рис. 2.8.

 КоллекторКоллектор n-p-nn-p-n

Эмиттер Эмиттер

Рис. 2.7. Условные графические обозначения, наименование электродов и направления токов биполярных транзисторов

Рис. 2.8. Принцип работы биполярного транзистора

Для работы транзистора в активном нормальном режиме необходимы два внешних источника напряжения E₁ и E₂ . Они подключаются таким образом, чтобы p-n переход между эмиттером и базой был смещен в прямом направлении, а p-n переход между базой и коллектором в обратном направлении. При этом источник E₁ является поставщиком дырок в эмиттер, которые под действием поля проникают в область базы. Этот процесс называют инжекцией (injection – вспрыскивание). Конструктивно область базы имеет низкую концентрацию основных носителей заряда, в рассматриваемом случае – электронов, т. е. обладает высоким сопротивлением. Кроме того, слой базы достаточно тонкий. Поэтому большая часть инжектированных дырок не задерживаются в базе, а проникают в коллектор. Этот процесс называют переносом (transfer). Однако некоторые дырки успевают рекомбинировать с электронами в базе, образуя нейтральные атомы. При этом в базе возникает недостаток электронов. Они поставляются источником E₁ и образуют небольшой ток базы. Таким образом ток коллектора значительно превышает ток базы.

Основным параметром биполярного транзистора является коэффициент передачи тока коллектора h_2.1.э, характеризующий способность транзистора усиливать ток, и рассчитываемый по формуле

                                                                                                     Iк .                                      (2.3)

                                                      h2.1.э =

Iб

Рис. 2.9. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

Для биполярных транзисторов большой мощности h_2.1.э = 20...100. Для транзисторов средней и малой мощности h_2.1.э =100...10 000.

Для транзистора строят входную ВАХ и семейство выходных ВАХ, как это показано на рис. 2.9.

Существует три основных режима работы биполярных транзисторов: нормальный режим, отсечка и насыщение. В нормальном режиме транзистор функционирует как управляемый усилитель тока. В этом режиме транзистор работает в усилителях мощности и в схемах автоматического управления. В режиме отсечки оба p-n перехода смещены в обратном направлении и токи в транзисторе стремятся к нулю. В этом случае говорят, что транзистор закрыт. В режиме насыщения оба p-n перехода смещены в прямом направлении и транзистор работает как неуправляемый усилитель тока. Если транзистор работает только в режимах отсечки и насыщения, то такой режим работы называют ключевым. Ключевой режим транзистора используется в электронных коммутаторах (переключателях), а также во всех цифровых схемах. Подавляющее большинство транзисторов в устройствах промышленной электроники работают в ключевом режиме.