Транзистор изобретен на полвека позже радиолампы и к настоящему времени почти полностью вытеснил ее в большинстве областей радиотехники и электроники благодаря малым размерам, экономичности, огромному сроку службы и удобству использования. Это уже не вакуумный прибор — его действие основано на физике полупроводников. Иногда полупроводниковые приборы называют твердотельными.

Полупроводники — это вещества, занимающие промежуточное положение по электропроводности между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся германий, кремний, селен и многие другие элементы и их химические соединения, например, арсенид галлия. Чистый полупроводник, как правило, довольно плохо проводит электрический ток, но его проводимость может быть улучшена введением примеси.

Широко применяемый в практике полупроводник кремний – четырехвалентный элемент, т.е. на внешней электронной оболочке его атомов находятся по четыре электрона. Каждый атом связан с четырьмя соседними ковалентными связями. Все они оказываются занятыми, и при низких температурах кремний почти не проводит электрический ток. При нагреве часть ковалентных связей разрывается и освободившиеся электроны становятся свободными — проводимость кристалла увеличивается, а его сопротивление падает. Такая температурная зависимость резко отличает полупроводники от металлов — сопротивление последних при нагреве растет.

Если в кремний добавить примесь — пятивалентный мышьяк или фосфор, то в кристаллическую решетку он “впишется” лишь четырьмя электронами внешней электронной оболочки, а пятый окажется свободным. Проводимость кристалла возрастет, а поскольку носителями тока служат отрицательно заряженные электроны, то такая проводимость называется n-типа (n — negative). Такой же тип проводимости и у металлов.

Если примесью служат атомы трехвалентного бора, то в кристаллической решетке атом бора осуществляет связь только тремя электронами, а вместо четвертого образуется “вакантное место” или “дырка”, по свойствам полностью эквивалентная положительному заряду. Дырки могут перемещаться в толще полупроводника, создавая ток положительных зарядов. Это — проводимость р-типа (р — posltive).

Основой полупроводниковых приборов служит р-п переход, контакт двух полупроводников с разными типами проводимости или иногда контакт металла с полупроводником р-типа. Переход обладает очень интересными свойствами: он пропускает электрический ток только в одном направлении.

Посмотрим, как это получается. В р-областа имеется избыток дырок, они диффундируют в п-область и создают там положительный заряд. То же происходит и с электронами — переходя в р-область, они создают в ней отрицательный заряд. На этом диффузия кончается, поскольку возникшая контактная разность потенциалов (около 0,3 В для германия и 0,7 В для кремния) препятствует дальнейшему движению дырок и электронов (рис. 28,а), вблизи контакта из-за рекомбинации электронов и дырок возникает обедненный зарядами слой.

Если к переходу приложить внешнее напряжение плюсом к п-облас-ти, а минусом к р-области, то оно сложится с контактной разностью потенциалов и увеличит потенциальный барьер. Ток через переход почти совсем прекратится — переход окажется закрытым. Если же плюс внешнего напряжения приложен к р-области, потенциальный барьер уменьшается и через переход проходит электрический ток. На рис. 28,6 показана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода — устройства, содержащего толь:,о р-п переход и выводы от него. Видно, что обратный ток диода очень мал и почти не зависит от обратного напряжения, а в прямом направлении ток возрастает при увеличении напряжения весьма быстро.
Промышленность выпускает сейчас множество разнообразных диодов, от маломощных на токи в несколько десятков миллиампер до мощных силовых, способных выпрямлять переменный ток в десятки и сотни ампер. Специальные диоды с очень малой емкостью перехода работают на сверхвысоких частотах (СВЧ).
Раз уж мы сказали о емкости, то нельзя не упомянуть о варикапах — диодах, работающих при закрывающем напряжении и обладающих емкостью до сотен пикофарад. Емкость меняется при изменениях напряжения, поскольку изменяется толщина обедненного слоя. Благодаря возможности изменений емкости варикапы служат для электронной настройки колебательных контуров.
Но перейдем наконец к транзистору. Он содержит два р-п перехода — эмиттерный и коллекторный, имеющие общую область — базу. В зависимости от типа проводимости областей различают р-n-р и n-р-n транзисторы. Их структура и условные обозначения показаны на рис. 29. При включении транзистора эмиттерный переход открывают током , а на коллекторный переход подают значительное закрывающее напряжение. Но это не значит, что коллекторный ток Iκ будет отсутствовать — ведь коллекторный переход расположен очень близко к эмит-терному. Сильное поле коллектора захватывает носители тока, инжектируемые эмиттером в базу. У хороших транзисторов коллекторный ток составляет до 99 % и более от тока эмиттера. На долю же тока базы остается порядка 1 % от тока эмиттера. Отношение коллекторного тока к току базы называют статическим коэффициентом передачи тока (hκэ) в схеме с общим эмиттером. Для широко распространенных транзисторов его значение составляет от нескольких десятков до нескольких сотен.

Журнал “Радио” №11-99г.