Теоретичні основи
Транзистори (надалі транзистори) класифікуються на два типи на основі матеріалу: германієві транзистори та кремнієві транзистори. Кожен тип має дві структурні форми: NPN і PNP. Однак найчастіше використовуються кремнієві NPN і германієві PNP транзистори. (Де N означає негативний заряд; напівпровідники типу N- виготовляються шляхом додавання фосфору до кремнію високої чистоти-, щоб замінити деякі атоми кремнію, утворюючи вільні електрони для проведення електрики під впливом напруги. P означає позитивний заряд; замість кремнію додається бор, утворюючи велику кількість дірок для полегшення провідності.) Крім різниці в полярності джерела живлення, їхня робота принципи однакові. Нижче описано лише принцип посилення струму кремнієвих транзисторів NPN.
Для NPN-транзистора він складається з двох напівпровідників типу N-, поєднаних із напівпровідником типу P-. PN-перехід, утворений між емітерною та базовою областями, називається емітерним переходом, а PN-перехід, утворений між колекторною та базовою областями, називається колекторним переходом. Три проводи називаються емітером (e), базою (b) і колектором (c).
Коли потенціал у точці b на кілька десятих вольта вищий за потенціал у точці e, емітерний перехід має пряме зміщення. І навпаки, коли потенціал у точці C на кілька вольт перевищує потенціал у точці b, колекторний перехід має зворотне зміщення. Тому колекторне джерело живлення Ec повинно бути вище, ніж базове джерело живлення Eb.
У виробництві транзисторів основна концентрація носіїв в емітерній області навмисно робиться більшою, ніж у базовій області. Одночасно область основи робиться дуже тонкою, а вміст домішок суворо контролюється. Таким чином, як тільки подається потужність, завдяки прямому зміщенню емітерного переходу основні носії (електрони) в емітерній області та основні носії (дірки) в базовій області легко дифундують через емітерний перехід один до одного. Однак, оскільки концентрація електронів значно більша, ніж концентрація дірок, струм через емітерний перехід є переважно потоком електронів; цей потік електронів називається струмом електронів емітера.
Оскільки базова область дуже тонка, і внаслідок зворотного зміщення колекторного переходу, більшість електронів, інжектованих у базову область, перетинають колекторний перехід і потрапляють у колекторну область, утворюючи колекторний струм Icn. Лише невелика кількість (1-10%) електронів рекомбінує з дірками в базовій області. Дірки, втрачені через рекомбінацію, поповнюються базовим джерелом живлення Eb, таким чином утворюючи базовий струм Ibn. За принципом безперервності струму:
Тобто=Ib + Ic
Це означає, що, додавши дуже маленький Ib до основи, більший Ic можна отримати на колекторі. Це так-ефект посилення струму. Ic та Ib зберігають певне пропорційне співвідношення, тобто:
1=Ic/Ib
Де: 1 -- називається коефіцієнтом посилення постійного струму,
Відношення зміни струму колектора ΔIc до зміни струму бази ΔIb становить:
= △Ic/△Ib У цій формулі називається коефіцієнтом посилення струму змінного струму. Оскільки значення 1 і не відрізняються суттєво на низьких частотах, іноді їх не строго розрізняють для зручності, і значення становить приблизно від десятків до ста.
1=Ic/Ie (Ic та Ie – величини струму на шляху постійного струму)
У цій формулі: 1 також називається коефіцієнтом посилення постійного струму, який зазвичай використовується в звичайних-схемах базового підсилювача, описуючи співвідношення між струмом емітера та струмом колектора.
=△Ic/△Ie
У цьому виразі це коефіцієнт підсилення-загального базового струму змінного струму. Аналогічно, і 1 не відрізняються суттєво при малих входах сигналу.
Між двома коефіцієнтами посилення, що описують поточні зв’язки, існує такий зв’язок:
Ефект посилення струму транзистора фактично використовує невелику зміну базового струму для контролю більшої зміни струму колектора.
Транзистор є пристроєм посилення струму, але в практичних застосуваннях резистор часто використовується для перетворення ефекту посилення струму транзистора в ефект посилення напруги.
Принцип посилення
1. Випромінювання електронів від емітера до бази
Джерело живлення Ub подається на емітерний перехід через резистор Rb, зміщуючи емітерний перехід вперед-. Основні носії (вільні електрони) в емітерній області постійно перетинають емітерний перехід у базову область, утворюючи емітерний струм Ie. Одночасно основні носії в базовій області також дифундують в емітерну область. Однак, оскільки основна концентрація носіїв набагато нижча, ніж в області емітера, цей струм можна не враховувати. Тому емітерний перехід можна вважати переважно потоком електронів.
2. Електронна дифузія та рекомбінація в базовій області
Після входу в базову область електрони спочатку концентруються поблизу емітерного переходу, поступово утворюючи градієнт концентрації електронів. Під впливом цього градієнта потік електронів дифундує від базової області до колекторного переходу, де він втягується в колекторну область електричним полем колекторного переходу, утворюючи колекторний струм Ic. Невелика частина електронів (через тонку базову область) рекомбінує з дірками в базовій області. Співвідношення потоку розсіяних електронів до потоку рекомбінаційних електронів визначає здатність транзистора підсилювати.
3. Збір електронів у колекторній області
Через велику зворотну напругу, що прикладається до колекторного переходу, електричне поле, створене цією зворотною напругою, запобігатиме дифузії електронів із колекторної області в базову область. Одночасно він буде тягнути електрони, які дифундували в околиці колекторного переходу, в область колектора, таким чином формуючи основний струм колектора Icn. Крім того, неосновні носії (дірки) в колекторній області також будуть дрейфувати до базової області, утворюючи зворотний струм насичення, позначений Icbo. Його значення дуже мало, але він надзвичайно чутливий до температури.
