Номер 2.78, страница 49 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 2. Электрический ток в различных средах. Электрический ток в полупроводниках - номер 2.78, страница 49.

Условие.

2.78*. На рисунке 2.25 показана условная схема строения транзистора $p-n-p$-типа.

а) Для чего базу делают тонкой?

б) Для чего в качестве базы берут низколегированный полупроводник?

в) Как следует подключить этот транзистор, чтобы он работал в режиме усилителя по мощности?

Рис. 2.25

Решение.

а) Для чего базу делают тонкой?

База в биполярном транзисторе играет роль управляющей области. В транзисторе p-n-p типа, показанном на рисунке, эмиттер (область p-типа) инжектирует (впрыскивает) основные носители заряда – дырки – в область базы (n-типа). Для базы дырки являются неосновными носителями. Чтобы транзистор эффективно усиливал сигнал, необходимо, чтобы как можно большее число этих дырок достигло коллектора, а не рекомбинировало с основными носителями базы (электронами). Рекомбинация дырок в базе создает ток базы $I_Б$, а дырки, достигшие коллектора, создают ток коллектора $I_К$. Сумма этих токов равна току эмиттера: $I_Э = I_К + I_Б$. Усилительные свойства транзистора тем лучше, чем меньше ток базы по сравнению с током коллектора. Если сделать базу очень тонкой, то время, за которое дырки проходят через нее (время пролета), становится очень малым. Это значительно уменьшает вероятность их рекомбинации с электронами. В результате почти все дырки, инжектированные эмиттером, достигают коллектора, что обеспечивает большой коэффициент усиления по току.

Ответ: Базу делают тонкой для того, чтобы уменьшить вероятность рекомбинации носителей заряда (дырок), инжектированных из эмиттера, с основными носителями базы (электронами). Это позволяет большей части носителей достичь коллектора, что обеспечивает высокий коэффициент усиления транзистора.

б) Для чего в качестве базы берут низколегированный полупроводник?

Использование низколегированного (слаболегированного) полупроводника для изготовления базы также направлено на уменьшение тока базы и увеличение коэффициента усиления. Легирование определяет концентрацию основных носителей заряда в полупроводнике. В базе n-типа основными носителями являются электроны. Скорость рекомбинации инжектированных дырок пропорциональна концентрации электронов в базе. Используя низколегированный материал, мы сознательно уменьшаем концентрацию электронов. Чем меньше электронов в базе, тем меньше вероятность того, что дырка, проходящая через базу, встретит электрон и рекомбинирует с ним. Таким образом, легкое легирование базы, так же как и ее малая толщина, способствует минимизации рекомбинационных потерь и, следовательно, уменьшению тока базы и увеличению доли тока эмиттера, достигающей коллектора.

Ответ: В качестве базы берут низколегированный полупроводник, чтобы снизить концентрацию основных носителей заряда (электронов). Это уменьшает вероятность рекомбинации и, как следствие, ток базы, что приводит к увеличению коэффициента усиления транзистора.

в) Как следует подключить этот транзистор, чтобы он работал в режиме усилителя по мощности?

Для работы транзистора в режиме усилителя (активном режиме) необходимо правильно подать смещение на его p-n переходы. У транзистора два перехода: эмиттерный (между эмиттером и базой) и коллекторный (между коллектором и базой).

1. Эмиттерный переход (Э-Б) должен быть смещен в прямом направлении. Для p-n-p транзистора это означает, что на p-область эмиттера нужно подать положительный потенциал относительно n-области базы. То есть, плюс источника питания подключается к эмиттеру (Э), а минус – к базе (Б).

2. Коллекторный переход (К-Б) должен быть смещен в обратном направлении. Для p-n-p транзистора это означает, что на p-область коллектора нужно подать отрицательный потенциал относительно n-области базы. То есть, минус источника питания (как правило, с большим напряжением, чем на эмиттерном переходе) подключается к коллектору (К), а плюс – к базе (Б).

Таким образом, потенциалы на выводах транзистора должны удовлетворять соотношению: $V_Э > V_Б > V_К$. При таком подключении небольшое изменение напряжения или тока во входной цепи (эмиттер-база) вызывает значительное изменение тока в выходной цепи (коллектор-база или коллектор-эмиттер), что и обеспечивает усиление сигнала.

Ответ: Чтобы транзистор работал в режиме усилителя, его эмиттерный переход (эмиттер-база) необходимо сместить в прямом направлении (подать плюс на эмиттер относительно базы), а коллекторный переход (коллектор-база) – в обратном направлении (подать минус на коллектор относительно базы).