Как работает транзистор?

Как работает транзистор?

Определение транзистора

Транзистор определяется как полупроводниковое устройство, используемое для усиления или переключения электронных сигналов.

Существует несколько типов транзисторов, но мы сосредоточимся на NPN-транзисторе в режиме общего эмиттера. Этот тип имеет сильно легированную и широкую область эмиттера, содержащую большое количество свободных электронов (основные носители заряда).

Область коллектора широка и умеренно легирована, поэтому она содержит меньше свободных электронов, чем эмиттер. Область базы очень тонкая и слабо легирована, с небольшим количеством дырок (основные носители заряда). Теперь подключим батарею между эмиттером и коллектором. Терминал эмиттера транзистора подключен к отрицательному терминалу батареи. Таким образом, соединение эмиттер-база становится прямым, а соединение база-коллектор — обратным. В этом состоянии через устройство не будет протекать ток. Перед тем как перейти к фактической работе устройства, давайте вспомним конструктивные и легировочные детали NPN-транзистора. Здесь область эмиттера шире и сильно легирована. Поэтому концентрация основных носителей заряда (свободных электронов) в этой области транзистора очень высока.

Область базы, с другой стороны, очень тонкая, её толщина составляет несколько микрометров, тогда как области эмиттера и коллектора имеют размеры в миллиметрах. Легирование среднего p-слоя очень низкое, и, следовательно, в этой области присутствует очень маленькое количество дырок. Область коллектора шире, как уже говорилось, и легирование здесь умеренное, поэтому в этой области присутствует умеренное количество свободных электронов.

Напряжение, приложенное между эмиттером и коллектором, падает в двух местах. Во-первых, соединение эмиттер-база имеет прямой барьерный потенциал около 0,7 вольт в кремниевых транзисторах. Остальное напряжение падает на соединении база-коллектор как обратный барьер.

Каково бы ни было напряжение на устройстве, прямой барьерный потенциал на соединении эмиттер-база всегда остаётся 0,7 вольт, а остальное напряжение источника падает на соединении база-коллектор как обратный барьерный потенциал.

Это означает, что напряжение коллектора не может преодолеть прямой барьерный потенциал. Поэтому свободные электроны из эмиттера не могут перейти в базу. В результате транзистор ведет себя как выключенный переключатель.

Примечание: — При таких условиях транзистор идеально не проводит никакого тока, поэтому не будет падения напряжения на внешнем сопротивлении, и всё напряжение источника (V) будет падать на соединениях, как показано на рисунке выше.

Теперь посмотрим, что произойдет, если мы применим положительное напряжение к базовому терминалу устройства. В этой ситуации соединение база-эмиттер получает прямое напряжение индивидуально, и, конечно, оно может преодолеть прямой барьерный потенциал, и, следовательно, основные носители, то есть свободные электроны в области эмиттера, перейдут через соединение и попадут в область базы, где они встретят очень мало дырок для рекомбинации.

Однако из-за электрического поля на соединении свободные электроны, мигрирующие из области эмиттера, получают кинетическую энергию. Область базы настолько тонка, что свободные электроны, приходящие из эмиттера, не успевают рекомбинировать и, следовательно, переходят через обратно смещенную область обеднения и, в конечном итоге, попадают в область коллектора. Поскольку на соединении база-коллектор присутствует обратный барьер, он не будет препятствовать току свободных электронов от базы к коллектору, так как свободные электроны в области базы являются меньшинственными носителями.

Таким образом, электроны текут от эмиттера к коллектору, и начинает течь ток от коллектора к эмиттеру. Поскольку в области базы присутствуют некоторые дырки, часть электронов, приходящих из области эмиттера, рекомбинируют с этими дырками и вносят свой вклад в ток базы. Этот ток базы намного меньше, чем ток от коллектора к эмиттеру.

Некоторые электроны из эмиттера вносят свой вклад в ток базы, в то время как большинство проходит через коллектор. Ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора. Таким образом, ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора.

Теперь увеличим приложенное напряжение на базе. В этой ситуации из-за увеличенного прямого напряжения на соединении эмиттер-база пропорционально больше свободных электронов придет из области эмиттера в область базы с большей кинетической энергией. Это вызывает пропорциональное увеличение тока коллектора. Таким образом, контролируя небольшой сигнал на базе, мы можем контролировать довольно большой сигнал на коллекторе. Это основной принцип работы транзистора.