Сегодня мы продолжаем беседу о полупроводниковых приборах. В этой части цикла вы узнаете, какими бывают транзисторы, как они устроены, и какие процессы в них протекают.
Полупроводниковые приборы, которые называют транзисторами, подразделяются на две большие группы:
- биполярные;
- полевые.
Первые используются более широко, с них и начнем.
Биполярный транзистор
Представим себе две пластинки полупроводника p-типа, между которыми зажата пластинка полупроводника n-типа. Каждая из пластинок имеет свой токопроводящий электрод. Таким образом, мы получаем бутерброд с тремя выводами.
Не правда ли, что-то знакомое? Конечно. Прикроем листом бумаги нижнюю пластинку и увидим уже знакомый нам плоскостной диод. Прикроем верхнюю – тоже диод. О нем мы говорили в части 3 цикла. Таким образом, структурно транзистор представляет собой два диода с общей областью n-типа. Среднюю, общую область назвали базой, одну крайнюю - эмиттером, другую - коллектором. Чтобы разобраться в принципе работы транзистора, соберем простую схему:
Если все сделано правильно, то лампочка будет гореть. Теперь отключим батарею Gб и соединим базу с эмиттером проволочной перемычкой (показана пунктиром). Лампа потухла. Попробуем разобраться в произошедшем, но для этого нам нужно вспомнить материал, изложенный в третьей части цикла (ссылка). Чтобы запереть диод, на него нужно подать обратное напряжение, чтобы открыть – прямое.
Замкнув базу с эмиттером, мы превращаем транзистор в обычный диод, на который через лампочку подается обратное напряжение – на n-область плюс, на p-область минус. При таком раскладе диод просто запирается и не пропускает ток. Если же мы на базу подадим прямое (отрицательное относительно эмиттера) напряжение, то тем самым откроем эмиттерный переход и через него потечет прямой ток. Этот ток откроет второй, коллекторный переход, и по цепи эмиттер-база-коллектор потечет ток, который зажжет лампочку.
Важно! Коллекторный ток Iк намного больше тока цепи эмиттер-база Iб. Это свойство позволяет использовать транзистор в качестве усилителя электрических сигналов.
Режим усиления
Все эксперименты, которые мы проделывали выше, заставляли транзистор работать в качестве ключа – открыт/закрыт. Но это далеко не основной режим прибора, хотя он тоже достаточно широко используется в устройствах автоматики.
Итак, мы выяснили, что подавая напряжение определенной полярности на базу относительно эмиттера, мы можем открывать транзистор. Но самое интересное и полезное то, что мы можем управлять степенью открытия транзистора, изменяя величину напряжения, приложенного к базе относительно эмиттера. Проведем еще один опыт, собрав схему, изображенную ниже.
В этой схеме отрицательное относительно эмиттера напряжение подается на базу с основного источника питания через резистор Rб. Этот резистор называют резистором смещения, а напряжение, через него подаваемое – напряжением смещения. Оно невелико и лишь слегка приоткрывает транзистор. При этом ток эмиттер-коллектор незначителен.
На эту же базу через разделительный конденсатор подается сигнал звуковой частоты с микрофона BF1. этот сигнал постоянно изменяется как по амплитуде, так и по полярности. При отрицательных полуволнах через переход эмиттер-база начинает течь ток тем больший, чем выше амплитуда сигнала. Одновременно с этим меняется и коллекторный ток, имеющий ту же форму, но намного большей величины.
Таким образом, подавая на базу слабый сигнал, мы получаем в коллекторной цепи усиленный. Во сколько раз? Это зависит от так называемого коэффициента усиления конкретного типа и даже экземпляра транзистора.
О структуре
Во всех объяснениях, приведенных выше, мы использовали транзистор, у которого эмиттер и коллектор имели p, а база n-проводимость. Такие приборы называются транзисторами структуры p-n-p. Но существуют приборы, у которых все наоборот – коллектор и эмиттер – n, а база p. Это транзисторы n-p-n структуры. Работают они точно так же, просто напряжение питания на них нужно подавать в противоположной полярности - на коллектор относительно эмиттера плюс. Ну и открываться такой транзистор будет положительным напряжением на базе.
Как их делают
Как и полупроводниковые диоды, транзисторы не собирают из пластин, а колдуют над одной, добавляя в нее примеси. Рассмотрим в качестве примера две технологии изготовления этих приборов:
- сплавная;
- диффузионно-сплавная.
Начнем со сплавной, как более старшей.
Сплавной
Исходным материалом тут служит пластина, вырезанная из кристалла кремния с p- или n-структурой. Эта пластина крепится в специальный кристаллодержатель, который служит выводом базы. В пластинку с двух сторон вплавляют материал присадки, которая диффундирует в полупроводник, создавая области противоположного с базой типа. Так формируются структуры коллектора и эмиттера.
Диффузионно-сплавной
Здесь основой для создания транзистора служит пластина полупроводника, являющаяся коллектором. На одну сторону пластины наносится металлизация – это вывод коллектора. С другой стороны вплавляются две капли соответствующих присадок. Одна для создания базы, другая эмиттера. В процессе диффузии на кристалле появляется слой эмиттера, а под ним тонкий слой базы.
Вот, в принципе, и все, что хотелось рассказать о полупроводниковых приборах, именуемых биполярными транзисторами. Ну а о полевых мы поговорим с вами в следующей части.
