PNP-транзистор: структура, принцип работы, применение

Транзисторы являются одним из основных элементов электронных схем. Помимо прочего, они используются для усиления электрических сигналов и управления протеканием электрических токов в цепях, в качестве так называемых электронных ключей. Они также являются основным компонентом полупроводниковой памяти и электронных логических затворов. Такой широкий спектр применения обусловлен свойствами полупроводниковых материалов, которые используются для создания транзисторов. Одним из типов транзисторов является биполярный pnp-транзистор.

Транзисторы — это электронные компоненты, основным свойством которых является способность управлять большим током с помощью малого тока.

Структура PNP-транзистора

PNP-транзистор — это разновидность биполярного транзистора. В транзисторах этого типа в проведении тока участвуют два типа носителей тока, присутствующих в полупроводниках: электроны и дырки, хотя один тип носителей преобладает — в pnp-транзисторах это дырки.

PNP-транзисторы обычно изготавливаются из кремния, но для их производства могут использоваться и другие полупроводники, например: германий, арсенид галлия, нитрид галлия. Они изготавливаются путем объединения трех слоев p и n полупроводников, расположенных в порядке p-n-p (рис.1).

Полупроводник n-типа — это полупроводник, в котором число свободных электронов увеличивается в результате легирования. В полупроводнике p-типа легирование увеличивает количество дырок — положительных носителей тока. Дыркой называется недостающий электрон в межатомной связи. Этот «недостающий электрон» может перемещаться по материалу с характеристиками носителя положительного заряда.

Для справки. Легирование полупроводников (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — внедрение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

Википедия

На стыке полупроводниковых слоев в транзисторе образуются два p-n-перехода, через которые диффундируют носители. Это приводит к пространственному распределению заряда и результирующему распределению электрического напряжения между соседними областями транзистора. Из-за существования зарядового барьера p-n-переход обладает свойством хорошо проводить электрический ток только в одном направлении — из области p в область n.

Различные слои транзистора имеют свои названия, отражающие их роль в работе транзистора:

• эмиттер (обозначается E), сильно легированный слой, который является источником носителей электрического тока (дырок в pnp-транзисторе);
• база (обозначена буквой B), тонкий и слабо легированный слой — его функция заключается в управлении электрическим током, протекающим через транзистор;
• коллектор (обозначен C) — «собирает» заряды, протекающие через транзистор.

Важно! Легирование эмиттера самое высокое (обозначается p⁺⁺, коллектора — самое низкое (обозначается p⁺). Легирование n базы находится между этими двумя значениями.

Внешние слои относительно толстые — около 0,1 мм. Средний слой должен быть достаточно тонким, чтобы носители могли диффундировать через него от эмиттера к коллектору. Его толщина обычно составляет около 0,01 — 0,03 мм.

Гораздо более высокая концентрация основных носителей в области эмиттера (дырок), чем в области базы (электронов), приводит к тому, что в системе эмиттер-база электрический ток, переносимый дырками, текущими со стороны эмиттера, в 10³ — 10⁵ раз выше, чем электрический ток, переносимый электронами, текущими со стороны базы.

Как работает PNP-транзистор?

При нормальной работе PNP-транзистора напряжение U_BE подключено между эмиттером и базой в направлении проводимости перехода — «минус» напряжение на базу, «плюс» на эмиттер. Это напряжение в кремниевых транзисторах составляет около 0,6 В. Между эмиттером и коллектором подключено напряжение около 10 В (рис.3).

Напряжение U_BE вызывает протекание небольшого электрического тока I_B. Из-за высокой концентрации дырок в области эмиттера носителями этого электрического тока являются в основном дырки. Следствием этого электрического тока является значительное изменение концентрации дырок в области базы: со стороны эмиттера концентрация дырок становится больше, чем со стороны коллектора.

В результате разницы в концентрации дырок, дырки диффундируют в сторону коллектора. Дырки, которые достигают перехода база-коллектор, могут протекать через этот переход, поскольку отрицательное напряжение коллектора относительно базы притягивает их в коллектор — около 99% дырок, вытекающих из эмиттера, попадают в коллектор. Это значительно увеличивает электрический ток коллектора.

Небольшая часть дырок объединяется с электронами в области базы — происходит электронно-дырочная рекомбинация. В результате проникновения дырок в область коллектора, электрический ток коллектора I_C значительно превышает электрический ток базы I_B и мало отличается от электрического тока, протекающего через эмиттер — I_E.

Важно! Между током коллектора и током базы существует следующая математическая связь: I_C = I_B * B. Буква B обозначает коэффициент усиления электрического тока. Он называется «коэффициентом усиления транзистора по току», потому что ток коллектора может быть в 1000 раз сильнее тока базы.

Однако, поскольку количество дырок в области базы (тех, которые могут проникнуть в коллектор) зависит от электрического тока базы, небольшие изменения этого тока вызывают большие изменения электрического тока коллектора. Усиление сигнала транзистором основано на таком принципе: усиливаемый сигнал модулирует электрический ток базы, усиленный сигнал поступает из коллекторной цепи.

Сравнение NPN и PNP-транзисторов

Если вы уже знаете, как работает NPN-транзистор, то вы наверняка заметили сильное сходство с работой PNP-транзистора.

Сходства и различия

Оба транзистора состоят из трех слоев. NPN-транзистор состоит из двух n-легированных слоев, между которыми находится p-легированный слой. PNP-транзистор, с другой стороны, состоит из двух p-слоев. Между ними находится n-легированный слой.

В обоих случаях соединения называются базой (B), коллектором (C) и эмиттером (E). В то время как напряжение U_CE положительно для NPN-транзистора, но но отрицательно для PNP-транзистора; аналогично для напряжения U_BE.

Коллекторный ток I_C направлен от коллектора к эмиттеру в NPN-транзисторе. В PNP-транзисторе, однако, он направлен от эмиттера к коллектору. Аналогично, направление тока базы I_B меняется на противоположное.

В NPN-транзисторе доминирующими носителями свободного заряда являются электроны. В случае PNP-транзистора это дырки.

О применении PNP-транзистора

С помощью PNP или NPN-транзисторов можно усиливать электрические токи или использовать транзисторы в качестве переключателей. Теоретически, везде, где есть схема с транзистором PNP, можно заменить ее эквивалентной схемой с транзистором NPN.

Так зачем вообще производятся PNP-транзисторы? Одна из причин — удобство. Некоторые схемы могут быть реализованы более эффективно и просто с использованием PNP-транзисторов, чем NPN-транзисторов.

Большинство электронных схем могут быть адаптированы как к NPN, так и к PNP-транзисторам. Благодаря более высокой подвижности электронов, чем дырок, NPN-транзисторы работают быстрее. Они также дешевле в производстве, поэтому NPN-транзисторы чаще встречаются в электронных схемах.

PNP-транзисторы становятся полезными, когда важен знак выходного напряжения в схеме, а также в усилителях с высокой степенью усиления, в которых используются NPN и PNP-транзисторы в паре.