Як працює транзистор?

Як працює транзистор?

Визначення транзистора

Транзистор визначається як напівпровідниковий прилад, використовуваний для збільшення або комутації електронних сигналів.

Існує різні типи транзисторів, але ми зосередимося на NPN-транзисторі у режимі спільного емітера. Цей тип має сильно леговану і широку емітерну зону, яка містить багато вільних електронів (основні носії заряду).

Зона колектора широка і середньо легована, тому в ній менше вільних електронів, ніж у емітері. Зона бази дуже тонка і слабко легована, з невеликою кількістю дірок (основні носії заряду). Тепер, ми підключаємо один джерело живлення між емітером і колектором. Термінал емітера транзистора під'єднують до від'ємного терміналу джерела живлення. Тому створюється пряма заломленість емітер-база, а база-колектор — обернена заломленість. В цьому стані через прилад не протікає потік. Перш ніж перейти до фактичної роботи приладу, давайте нагадаємо конструктивні та легувальні деталі NPN-транзистора. У цьому випадку емітерна зона ширша і сильно легована. Тому концентрація основних носіїв (вільних електронів) у цій зоні транзистора дуже висока.

З іншого боку, зона бази дуже тонка, її товщина становить декілька мікрометрів, тоді як емітерна і колекторна зони мають товщину в міліметрах. Легування середньої p-типової шару дуже низьке, і, як результат, у цій зоні присутня дуже маленька кількість дірок. Зона колектора ширша, як ми вже казали, і легування тут середнє, тому у цій зоні присутня середня кількість вільних електронів.

Напруга, прикладена між емітером і колектором, падає в двох місцях. По-перше, емітер-базова зона має пряму бар'єрну потенціалу приблизно 0,7 вольта у силиконових транзисторах. Решта напруги падає на база-колекторну зону як обернений бар'єр.

Будь-яка напруга, прикладена до приладу, пряма бар'єрна потенціала на емітер-базовій зоні завжди залишається 0,7 вольта, а решта напруги джерела падає на база-колекторну зону як обернена бар'єрна потенціала.

Це означає, що напруга колектора не може подолати пряму бар'єрну потенціалу. Тому вільні електрони в емітері не можуть перейти в базу. Як результат, транзистор поводиться як вимикач.

Примітка: — Оскільки в цьому стані транзистор ідеально не проводить потік, то немає падіння напруги на зовнішній опорі, тому вся напруга джерела (V) падає на з'єднання, як показано на рисунку вище.

Тепер подивимося, що трапиться, якщо ми прикладемо додатну напругу до базового терміналу приладу. У цій ситуації емітер-базова зона отримує окрему пряму напругу, і, безумовно, вона може подолати пряму бар'єрну потенціалу, і, отже, основні носії, тобто вільні електрони в емітерній зоні, перейдуть через з'єднання і попадуть в базову зону, де вони знайдуть дуже мало дірок для рекомбінації.

Але через електричне поле на з'єднанні, вільні електрони, що мігрують з емітерної зони, отримують кінетичну енергію. Базова зона настільки тонка, що вільні електрони, що приходять з емітера, не мають достатньо часу для рекомбінації, і, отже, переходять через обернено заломлену область деплетації і, врешті-решт, потрапляють до колекторної зони. Оскільки на база-колекторному з'єднанні присутній обернений бар'єр, він не буде заважати потоку вільних електронів з бази до колектора, оскільки вільні електрони в базовій зоні є меншинними носіями заряду.

Таким чином, електрони протікають від емітера до колектора, і, отже, починає протікати потік від колектора до емітера. Оскільки в базовій зоні присутні діри, деякі електрони, що приходять з емітера, рекомбінуються з цими дірами і вносять внесок у базовий потік. Цей базовий потік значно менший, ніж потік від колектора до емітера.

Деякі електрони з емітера вносять внесок у базовий потік, а більшість проходить через колектор. Емітерний потік є сумою базового і колекторного потоків. Тому, емітерний потік є сумою базового і колекторного потоків.

Тепер збільшимо прикладену базову напругу. У цій ситуації, через збільшену пряму напругу на емітер-базовому з'єднанні, пропорційно більша кількість вільних електронів прийде з емітерної зони до базової зони з більшою кінетичною енергією. Це призведе до пропорційного збільшення колекторного потоку. Таким чином, контролюючи невеликий базовий сигнал, ми можемо контролювати значно більший колекторний сигнал. Це є основним принципом роботи транзистора.