Тема: Транзистори.

1.Класифікація транзисторів

2.Біполярні транзистори.

3.Польові транзистори.

1.Класифікація транзисторів

Транзисторами називають трьохелектродні напівпровідникові прилади, призначені для перетворення різних електричних сигналів. Слово транзистор походить від комбінації англійських слів "transfer of resistor", що в перекладі означає (перетворювач опору).

За основним напівпровідниковим матеріалом:

- Германієві

- Кремнієві

- Арсенід-галієвих

За структурою:

- Біполярні

npn структури, "зворотної провідності".

pnp структури, "прямої провідності"

- Польові

з p-n переходом

з ізольованим затвором

- Одноперехідні

- Кріогенні транзистори (на ефекті Джозефсона)

 За розсіюваням теплової потужності  транзистори розрізняють:

- малопотужні транзистори до 100 мВт

- транзистори середньої потужності від 0,1 до 1 Вт

- потужні транзистори (більше 1 Вт).

 2.Біполярні транзистори.

Біполярні транзистори - це прилади, в яких струм зумовлений рухом носіїв зарядів обох знаків (електронів та дірок). Біполярні транзистори — це напівпровідникові елементи, що мають три зони провідності, які утворюють два р-п-переходи. Середній електрод називаєтся базою, два крайніх — емітером (із стрілкою) та колектором . Емітер (виділяє носії заряду), база (має властивість керувати цими зарядами) і колекторна (збирає носії заряду). Відповідно, кожна з зон має свій вивід, який маркується: К — колектор; Б — база; Е — емітер. Стрілка спрямована із р-областіу n-область. Залежно від типу вільних носіїв заряду в цих зонах, транзистори поділяються за типом на p-n-р чи п-р-п. Фізичні процеси в транзисторах р-п-р і п-р-п тиру принципових відмінностей не мають. Стум в транзисторах р-n-р типу створюється в основному дірками, а в транзисторі п-р-п типу, - електронами.

Способи утворення р-п переходів біполярних транзисторів:

	- Метод вплавлення. Базою такого транзистора є пластина германію, або кремнію типу р або n . Зобох сторін пластини наплавляють екцепторні речовини (індій , алюміній) які є колектором та ємітером. Такі транцистори працюють на частоті до 30 Мгц.
	- Метод дифузії . Заготовку кристалу з провідністю n – типу нагрівають в прах акцепторних домішків , в результаті чого відбувається дифузія цієї домішки в поверхневому шарі напівпровідника таким же чином утворюють дифузію донорних домішків. Такі транзистори працюють на частотах до 1 ГГц.
	- Планарний метод. В кристалі кремнію створена сильнолегована (з великою концетрацією) донорними домішками емітерна ділянка та малолегована акцепторними домішками базова р-область і легована донорами колекторна п-область. Від цих областей за допомогою металевих відводів зроблені виводи. Така структура може бути повністю покрита ізолюючим і герметизуючим двоокисом кремнію.

 Принцип роботи біполярного транзистора.

Наявність р-п-переходів визначає два стани транзистора: відкритий і закритий. У відкритому транзисторі струм проходить від емітера до колектора. Для цього в транзисторі типу р-п- до кожного р-п- переходу потрібно прикласти напругу певної полярності, а саме: між емітером і базою — в прямому напрямку, тобто до емітера «+», а до бази «-»; між колектором і базою — в зворотному напрямку — до колектора «-», до бази «+». Для транзисторів п-р-п-типу полярність прикладених напруг протилежна За наявності прикладених напруг вільні заряди із зони емітера переходять у зону бази, де частина з них рекомбінує. За рахунок того, що зона бази є невеликою (декілька мікронів), то більшість цих зарядів потрапляють під дію напруги U_БК і переходять в зону колектора. Таким чином, утворюються струми емітера І_Е, базиІ_Б та колектора І_К (які підпорядковані першому закону Кірхгофа І_Е = Ік +І_Б, азв'язок між вихідним і вхідним струмами визначається коефіцієнтом пересилання за струмом. При роботі транзистора до лівого р-п переходу прикладається напруга база-емітер U_БЕ в прямому напрямку, а до правого р-п переходу - база-колектор Uбк в зворотному напрямку . Під дією електричного поля більша частина носіїв заряду із лівої області (емітера), долаючи р-п перехід, переходить в дуже вузьку середню область (базу). Далі більша частина носіїв заряду продовжує рухатися до другого переходу і, наближаючись до нього, попадають в електричне поле, яке створюється зовнішнім джерелом живлення Uбк. Під дією цього поля носії зарядів втягуються в праву область (колектора), збільшуючи струм в колі джерела живлення Uбк. Якщо збільшити напругу Uбе то збільшиться кількість носіїв заряду, які перейшли із емітера в базу, тобто збільшиться струм емітера на ΔІбе.При цьому також збільшиться струм колектора на ΔІбк. В базі незначна частина носіїв заряду, які перейшли із емітера, рекомбінують із вільними носіями зарядів протилежної полярності, склад яких поповнюється новими носіями зарядів із зовнішнього кола, які створюють струм бази І_Б. Таким чином, струм колектора Ік=Іе-Іб є не набагато більшим струму Емітера. Відношення a=ΔІк/ΔІб при Uбк =const називається коефіцієнтом підсилення за струмом. Якщо коло емітер-база розімкнуто і струм в ньому рівний нулю Іе =0, а між колектором і базою прикладено напругу Uбк то в колі колектора буде протікати невеликий зворотній струм Ік.зв, обумовлений неосновними носіями зарядів. Цей струм в значній мірі залежить від температури і є одним з параметрів транзистора (чим менший струм Ік.зв, тим кращими властивостивості має транзистор). Так як емітерний р-n перехід знаходиться під прямою напругою, то він має малий опір. На колекторний р-n перехід діє зворотна напруга і він має великий опір. Тому напруга, яка прикладається до емітера, досить мала (десяті частки вольту), а напруга, яка подається на колектор, може бути досить великою (до декількох десятків вольт). Зміна струму в колі емітера, викликана малою напругою UE, створює приблизно таку ж зміну струму в колі колектора, де діє значно більша напруга UK, в результаті чого транзистор підсилює потужність.

В залежності від полярності напруг прикладених до емітерного та колекторного переходу транзистора розрізняють такі режими роботи транзистора:

- Активний режим –на емітерний перехід подається пряма напруга а на колекторний – зворотня. В наслідок того що напруга в колі колектора перевищує пругу в колі емітера , а струми емітера та колектора приблизно рівні то потужність сигналу на виході в колекторному колі буде більшою ніж на вході- емітерному колі. Це є основний режим роботи транзистора.

- Режим відсікання – до обох переходівподаеться подається зворотня напруга, тому через ці переходи протікає незначний зворотній струм, що зумовлений рухом не основних носіїв електричних зарядів. В режимі відсічки транзистор закритий.

- Режим насичення - обидва переходи знаходяться під прямою напругою. Струм у вихідному колі максимальний і не регулюється струмом вхідного кола. В цьому режимі транзистор повністю відкритий.

- Інверсний режим – до емітерного переходу подається зворотня напруга , а до колекторного – пряма. При цьому емітер та колектор змінють свої функції, емітер виконує функцію колектора а колектор функцію емітера. Цей режим не відповідає номінальній роботі.

- Режим ключа. Важливими елементами сучасних схем автоматики і обчислювальної техніки є пристрої, які мають можливість знаходитись в одному з двох стійких станів (режимів) і під дією вхідного сигналу стрімко змінювати свій стан (режим). Це дозволяє здійснювати перемикання (комутацію) різних електричних кіл схеми.

Схеми вмикання біполярних транзисторів: із спільною базою, із спільним емітером, зі сільним колектором.

	Назва схеми показує, який електрод є спільним для вхідного та ви­хідного кіл. Схеми відзначаються своїми особливостями, але принцип вмикання підпорядковується загальним пра­вилам транзистора (емітерний перехід відкритий, а колекторний — закритий).Схема із спільною базою у попередніх підсилювачах ви­користовується дуже рідко. Ця схема має ко­ефіцієнт підсилення струму близький до одиниці.
	Схема із спільним колектором має коефіцієнт підсилення на­пруги близький до одиниці і дуже вели­кий опір вхідного кола (зворотно увімкне­ний р-п-перехід). Вихідне коло має малий опір (прямо увімкнений емітерний пе­рехід). Тому схема із спільним колектором використовується для узгодження опору багатоомного перетворювача з низькоомним навантаженням. Ця схема має спеціальну назву — емітерний повторювач.
	Найбільшого поширення набула схема із спільним еміте­ром. Коефіцієнт підсилення струму цієї схеми сягає 10...200 Цей коефіцієнт позначають h21E. Невеликий струм бази (вхідного сигналу) керує великим струмом вихід­ного кола (вихідний сигнал на опорі навантаження).

 Параметри біполярних  транзисторів:

-Зворотний струм колектора I к.б.о - струм через колекторний перехід при заданому зворотному напруга колектор-база і розімкнутому виведення емітера.

-Напруга насичення колектора - емітер U к.е.нас-напруга між висновками колектора і емітера транзистора в режимі насичення при заданих силах струму бази і колектора.

-Статичний коефіцієнт передачі струму за схемою з ОЕ h 21е - відношення постійного струму I а до струму I б при заданих постійному зворотному напрузі колектор-емітер і силі струму I е..

-Гранична частота fh 21 коефіцієнта передачі струму - частота, при якій модуль коефіцієнта передачі струму знижується на 3дБ в порівнянні з його значенням на низькій частоті.

-Гранична частота f гр коефіцієнта передачі струму - частота, при якій модуль коефіцієнта передачі струму в схемі з загальним емітером дорівнює одиниці.

-коефіцієнт передачі струму h 21е в режимі малого сигналу в схемі з ЗЕ відношення зміни вихідного струму до який викликав його зміни вхідного струму в режимі короткого замикання вихідного ланцюга по змінному струмі.

-Максимальне допустиме постійна напруга колектор - емітер: при силі струму бази, що дорівнює 0, U к.е. max при опір в ланцюзі база - емітер.

 Характеристики біполярного транзистора

Вольт-амперні характеристики транзисторів розділяють на статичні і динамічні.

Статичні характеристики є графічним відображенням залежностей між струмами і напругами на вході і виході транзистора. Ці характеристики використовуються в розрахунках параметрів оптимальних режимів його роботи. Можливі різні комбінації струмів і напруг в залежностях, але практично використовуються тільки вхідні і вихідні статичні характеристики для двох основних схем включення – із спільною базою і із спільним емітером.

 Вхідні статичні характеристики для схеми із спільним емітером є графіками залежності струму бази І_Б від напруги U_БЕ при незмінному значенні U_КЕ: І_Б = f(U_БЕ) при UКЕ = const.

Вихідні статичні характеристики транзистора для схеми із спільним емітером складаються із залежностей струму колектора ІК від напруги між колектором і емітером при фіксованому струмі бази: І_К = f(U_КЕ) при І_Б = const.

 

Типова статична вхідна характеристика.  Типова статична вихідна характеристика.

 Побудова динамічних характеристик здійснюється з метою вибору оптимального (найкращого) режиму роботи транзистора. Початковими є дані про вхідний сигнал і потужність, що споживається навантаженням, а також статичні вхідні і вихідні характеристики та параметри транзистора, що наводяться в довідниках.

Найчастіше використовуються вихідні і вхідні динамічні характеристики.

З рівняння динамічного режиму випливає рівняння:

ІК = (ЕК – UКЕ) / Rн = ЕК / Rн – UКЕ / Rн.

Пряма лінія, що відповідає останньому рівнянню, називається навантажувальною прямою або лінією навантаження. Вона уявляє собою вихідну динамічну характеристику і будується на сімействі статичних вихідних характеристик за двома точками – А і В. Розташування лінії навантаження на статичних характеристиках однозначно визначається напругою джерела живлення ЕК і опором резистора Rн. В точці А ІК = 0, а UКЕ = ЕК. Це відповідає закритому стану емітерного переходу транзистора. При цьому струм в опорі навантаження відсутній і падіння напруги на навантаженні дорівнює нулю. Отже, вся напруга джерела живлення ЕК виявляється прикладеною до ділянки колектор – емітер транзистора.

Точка перетину лінії навантаження із віссю струмів В є точка, для якої виконується умова ІК = ЕК / Rн, оскільки струм колектора у випадку повністю відкритого (або закороченого) транзистора обмежувався би тільки величиною опору Rн.

Всі проміжні точки лінії навантаження характеризують можливі напруги і струми у відповідних колах транзистора при подачі сигналу з урахуванням опору навантаження. Будь якому струму бази відповідає певне значення струму колектора і колекторної напруги. Так на рисунку показано, що струму бази ІБ2 відповідає напруга UКЕ(ІБ2) та струм через навантаження ІК(ІБ2).

Вхідна динамічна характеристика уявляє собою залежність вхідного струму від вхідної напруги в динамічному режимі при незмінних напрузі живлення і опорі навантаження.

Вхідна динамічна характеристика будується по точкам перетину лінії навантаження із статичними вихідними характеристиками. Для кожної напруги на колекторі за вихідною динамічною характеристикою визначається відповідний струм бази. Потім на вхідних статичних характеристиках відмічаються точки (А, В, С), що відповідають знайденим значенням струмів бази. Лінія АВС, яка з’єднує точки, є вхідною динамічною характеристикою транзистора (штрихова лінія на вхідній статичній характеристиці).Оскільки вхідні статичні характеристики розташовуються досить щільно, іноді для спрощення аналізу роботи і розрахунку параметрів схеми з транзистором вхідну динамічну характеристику не будують, а приймають за таку одну із вхідних статичних характеристик, що відповідає деякій напрузі на колекторі, відмінній від нуля.

 

3.Польові транзистори.

Польові транзистори це транзистори електричний струм в яких створюється рухом носіїв заряду тільки одного знака електровів або дірок. Керування стру­мом здійснюється електричним полем, що створюється вхідним сигна­лом, а не струмом бази. Тому у керуючому електроді (затворі) струм практично не протікає.

Є два типи польових транзисторів:

- із керуючим р-п-переходом;

- з ізольованим затвором.

Транзистор із керуючим р-п-переходом являє собою напівпро­відникову пластину. На грані цієї пластини нанесено напівпровідник іншого типу. Основною їх ознакою є відсутність на шляху проходження струму р-п-переходів а зона, по якій проходить струм називається каналом. Канал має два виводи: витік (В) - звідки рухаються вільні носії зарядів і стік (С) — куди ці заряди стікаються. Третій вивід, який виходить із зони напівпровідника протилежного до каналу типу провідності, називають затвором (3), що використовується для регулювання площі перетину каналу. Залежно від типу провідності каналу вони поділяються на транзистори з р-каналом або n-каналом, чим визначається полярність прикладеної напруги. Під дією напруги Uсв вільні носії заряду утворюють в каналі (центральній частині транзистора) струм, величину якого можна регулювати напругою Uвз при сталій напрузі Св.

Принцип дії польового транзистора з керуючим p-n переходом.

Канал може мати електропровідність як n-типу, так і р-типу відмінності між якими полягають в полярності напруги джерел живлення. У вхідне коло увімкнені джерела зворотного зміщення Езв на-р-п переході між затвором і каналом та джерело змінного живлення сигналу Uвx, яке необхідно підсилити. Вихідне коло складається із джерела постійної напруги Ес і опору навантаження R_H. Якщо напруга Ес і опір R_H незмінні, то струм в зовнішньому колі буде залежати від опору каналу. При підвищенні напруги зворотнього зміщення Езв збільшується товщина р-n переходу між затвором і каналом і зменшується струмопровідний переріз каналу, внаслідок чого росте опір між витоком і стоком і зменшується струм Іс.При великих зворотних напругах на затворі переріз каналу буде рівний нулю і струм через канал проходити не буде (канал закриється). Такий режим називається режимом відсімки струму. Зменшення зворотної напруги на затворі призводить до збільшення струмопровідного перерізу каналу, внаслідок чого його опір зменшиться і струм транзистора зростає. При подачі на вхід транзистора напруги U_BX, яка підлягає підсиленню у вихідному колі буде змінюватися струм, який проходячи через опір навантаження RH, створює на ньому падіння напруги, яка змінюється по

 закону зміни вхідної напруги U_BX. Вказаний ефект тим сильніший, чим більший опір матеріалу

 

Залежність між струмом і напругою виходу для певної схеми ввімкнення транзистора називають вихідною характеристикою транзистора.

Статичні характеристики польового транзистора з р-п-переходом:

а – вихідна (стокова характеристика);

б – стокозатворна характеристика (вхідна).

Польові транзистори з ізольованим затвором.

Сучасні польові транзистори виконуються з ізольованим від каналу затвором. Введення шару діелектрика зменшує струм спливу. Такі транзистори називають МДН (метал—діелектрик—напівпровідник) або МОН (метал—оксид—напівпровідник), які широко використовуються в інтегральних схемах.

Цей транзистор може бути двох типів:

 - з вбудованим каналом.

- з індукованим  каналом

Будова та принцип дії польових транзисторів з вбудованим  каналом.

Основою польового транзистора із вбудованим каналом служить пластинка (підложка) монокристалічного кремнію р- типу. Зони витоку і стоку являють собою області кремнію сильнолеговані домішками п- типу. Затвором служить металева пластинка, ізольована від напівпровідника шаром діелектрика. Між витоком і стоком утворюється вузька смужка кремнію р-типу (канал). В транзисторі з індукованим каналом металевий затвор і напівпровідниковий матеріал п - типу, які розділені діелектриком, утворюють плоский конденсатор. Якщо на металевий затвор подати позитивну напругу, то позитивний заряд затвора індукує відповідний негативний заряд в напівпровідниковій області каналу. В транзисторі з вмонтованим каналом між витоком і стоком методом дифузії створюють канал з провідністю п - типу, а підложку з провідністю р-типу. Коли на затворі відсутня напруга, струм між стоком і витоком визначається опором n-каналу. При негативній напрузі на затворі концентрація носіїв заряду в каналі зменшується і в ньому з'являється збіднений шар,внаслідок чого опір між витоком і стоком збільшується і струм транзистора зменшується. При позитивній напрузі на затворі струм стоку збільшується, тому що електрони втягуються в канал із підложки. Таким чином, польовий транзистор з ізольованим затвором може працювати як з негативною, так із позитивною напругою на затворі, тобто як із збідненим, так і з збагаченим каналом, тоді як транзистори з р-n переходами можуть працювати тільки з негативною напругою на затворі, тобто із збідненим каналом.

Будова та принцип дії польових транзисторів з індукованим  каналом.

За своєю будовою польові транзистори з індукованим  каналом схожі до польових транзисторів з вбудованим  каналом. Відмінністю є канал провідності струму який тут спеціально не створюється, а утворюється (індукується) завдяки припливу електронів з напівпровідникової пластини (підкладки) у випадку прикладення до затвору напруги позитивної полярності щодо витоку. За відсутності цієї напруги каналу немає, між витоком і стоком n-типу розташований тільки кристал р-типу і на одному з р-n-переходів виходить зворотна напруга. У цьому стані опір між витоком і стоком дуже велике, тобто транзистор замкнений. Але якщо подати на затвор позитивна напруга, то під впливом поля затвора електрони будуть переміщатися з областей витоку і стоку і з р-області (підкладки) у напрямку до затвору. Коли напруга затвора перевищить порогове, значення Uзв поріг, то в при поверхневому шарі концентрація електронів перевищить концентрацію дірок, і в цьому шарі відбудеться інверсія типу електропровідності, тобто індукується струмопровідний канал n-типу, що з'єднує області витоку і стоку, і транзистор починає проводити струм. Чим більше позитивне напруга затвора, тим більше провідність каналу і струм стоку. Таким чином, транзистор з індукованим каналом може працювати тільки в режимі збагачення.

 

Характеристики польового транзистора з ізольованим затвором:

а – вихідна стокова;

б – вхідна стокозатворна;

 І – режим збагачення; II – режим збіднення.

 

На відміну від польового транзистора з р-п переходом, струм стоку Іс проходить у І і II квадраті (у транзистора з р-п переходом Іс розміщений у II квадраті), що видно з графіків рис.

 Переваги польових транзисторів: великий вхідний опір; малий рівень шумів; стійкі проти радіації та дії температури; малі габарити.

Схемні позначення польових транзисторів:

Польові транзистори, як і біполярні, мають три схеми вмикання:

із спільним витоком

із спільним стоком

із спільним затвором

Основною підсилюючою схемою є схе­ма із спільним витоком

Вибір польових транзисторів здійснюється за такими величинами:

напругою стоку — витоку U cв.;

потужністю стоку Рс;

струмом стоку Iс.

 Фототранзистор – це напівпровідниковий прилад з двома р-n переходами, що має властивості підсилення фотоструму під дією електромагнітного випромінювання світла. Класифікують фототранзистори на біполярні та польові.

 

Так біполярний фототранзистор може вмикатись у коло без бази. Тоді під дією світла в області бази утворюються пари носіїв зарядів – електрони та дірки. У р-п-р фототранзисторі дірки з емітера попадають у сферу колектора, утворюючи фотострум, а електрони, що залишились у базі, створюють просторовий заряд, знижуючи висоту потенціального бар’єра емітерного переходу, а значить збільшують ріст фотоструму через навантаження.

 

Під час використання бази фототранзистора на його вхід подають електричний сигнал та світловий, від чого його чутливість зростає.

 

Маркування транзисторів складається з чотирьох елементів:

перший (літера або цифра) — матеріал напівпровідника Г(1) — германій; К(2) — кремній; А(3) — арсенід галію);

другий (літера) — Т (біполярні), П (польові);

третій (тризначне число) — класифікації/на ознака за потужністю і частотою;

1 – малопотужний низькочастотний, Гф <3 МГц;

2 – малопотужний середньочастотний, 3

3 – малопотужний високочастотний, 30

четвертий (літера) —різновид транзистора цього типу (А, Б, В тощо).

Наприклад, ГТ905А - германієвий біполярний потужний високочастотний транзистор, різновид типу А.

Перевірка працездатності транзистора та його дослідження.