Принцип действия и устройство транзисторов

Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Он представляет собой кри­сталл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупровод­ники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и не­проводниками тока (изоляторами). Небольшой кристалл полупроводникового ма­териала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких преде­лах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного на­пряжения смещения. Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собст­венный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзи­стора.

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполяр­ные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наиболь­шее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Поле­вые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярно­сти. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицатель­ные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кри­сталл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов. Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — : германиевыми. Для обоих разновидно­стей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появле­ние в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой. Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзи­стор. Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей за­ряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмит­тером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваи­вают названия, аналогичные его электродам. Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электри­ческое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмит­тером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относи­тельно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) долж­но быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряже­ния смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у германиевых.

На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напря­жение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К. Напряжение смещения (или, как при­нято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напря­жение на электродах транзистора указывают относительно общего провода уст­ройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальвани­чески соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом элект­рических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

Статический коэффициент передачи тока базы h_21Э показывает, во .сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффи­циента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть тран­зисторы и с меньшим значением — 10...15, и с большим — до 50...800 (такие на­зывают транзисторами со сверхусилением). Нередко считают, что хорошие резуль­таты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h_21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h_2lЭ, равный всего 12...20. При­мером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей опреде­ленного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор те­ряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления тран­зистора. Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сиг­нала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по край­ней мере в 10...20 раз меньше предельной частоты f_т транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низко­частотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2...0,4 МГц. Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазо­нов волн (частота сигнала не выше .1,6 МГц)| пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16...30 МГц.

Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощ­ность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение. Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзи­стора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выде­ляется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнитель­но снабжают транзисторы большой мощности.

В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконеч­ных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот. Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно вы­бран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной часто­ты транзистора.

   Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направлен­ным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется элект­рическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между Которыми протекает управляемый ток, иоСят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда. Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято назы­вать каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых тран­зисторов их иногда называют также униполярными. Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных.

Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом крем­ний, что связано с особенностями технологии их производства.

Рассмотрим основные параметры полевых транзисторов.

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y₂₁ указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение кру­тизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна ха­рактеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала. Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, до­стигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая эконо­мичность в расходе тока.

Частотные свойства полевого транзистора, так же как и! биполярного, харак­теризуются значением предельной частоты. Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10...20 раз меньше предельной частоты транзистора.

Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого тран­зистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Для нормальной работы полевого транзистора на его электродах должно действовать постоянное напряжение начального смещения. Полярность напряже­ния смещения определяется типом канала (n или р), а значение этого напряже­ния — конкретным типом транзистора. Здесь следует указать, что среди полевых транзисторов значительно больше разнообразие конструкций кристалла, чем сре­ди биполярных. Наибольшее распространение в любительских конструкциях и в изделиях промышленного производства получили полевые транзисторы с так на­зываемым встроенным каналом и р-n переходом. Они неприхотливы в эксплуата­ции, работают в широких частотных пределах, обладают высоким входным сопротивлением, достигающим на низкой частоте нескольких мегаом, а на сред­ней и высокой частотах — нескольких десятков или сотен килоом в зависимости от серии. Для сравнения укажем, что биполярные транзисторы имеют значительно меньшее входное сопротивление, обычно близкое к 1...2 кОм, и лишь ступени на составном транзисторе могут иметь большее входное сопротивление. В этом со-состоит большое преимущество полевых транзисторов перед биполярными.

На рис. 2 показаны условные обоз­начения полевых транзисторов со встроенным каналом и р-n переходом, а также указаны и типовые значения напряжения смещения. Выводы обо­значены в соответствии с первыми буквами названий электродов. Харак­терно, что для транзисторов с р-кана­лом напряжение на стоке относитель­но истока должно быть отрицатель­ным, а на затворе относительно исто­ка — положительным, а для транзистора с n-каналом — наоборот.

В промышленной аппаратуре и реже в радиолюбительской находят так­же применение полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзи­сторы имеют еще более высокое входное сопротивление, могут работать на очень высоких частотах. Но у них есть существенный недостаток — низкая электриче­ская прочность изолированного затвора. Для его пробоя и выхода транзистора из строя вполне достаточно даже слабого заряда статического электричества, ко­торый всегда есть на теле человека, на одежде, на инструменте. По этой причине выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении следует связывать вместе мягкой голой проволокой, при монтаже транзисторов руки и инструменты нужно «заземлять», используют и другие защитные мероприятия.

Литература: Васильев В.А. Приемники начинающего радиолюбителя (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1072)