Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Он имеет трехслойную структуру п-р-п (рис. 72, а) или р-п-р-типа (рис. 72, б).

Средняя область между двумя р-n-переходами называется базой. Толщина ее делается достаточно малой. Соседние области называются эмиттером и коллектором. Соответственно р-n-переход эмиттер — база называется эмиттерным, а переход база — коллектор — коллекторным. Биполярные транзисторы, выпускаемые промышленностью, выполнены на основании кремния и германия. Наибольшее применение в современной аппаратуре получили кремниевые транзисторы.

► Различают следующие режимы транзистора: режим отсечки токов (режим закрытого транзистора), когда оба перехода смещены в обратном направлении (закрыты), токи в транзисторе малы; режим насыщения (режим открытого транзистора), когда оба перехода смещены в прямом направлении, токи в транзисторах максимальны и не зависят от его параметров: активный режим, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный — в обратном.

В режимах отсечки и насыщения управление в транзисторе отсутствует. Напряжения между электродами (режим отсечки) и токи открытого транзистора (режим насыщения) определяются параметрами компонентов внешних цепей. В активном режиме эмиттерный ток р-n-перехода управляет током коллектора. Активный режим называется усилительным. Схема включения и направления токов n-р-n-транзистора, работающего в активном режиме, приведена на рис. 73, а.

Функцией эмиттерного перехода является инжекция («впрыскивание») неосновных носителей заряда в область базы. Для этого область эмиттера (р-типа для структуры р-п-р и n-типа для структуры п-р-п) делается более низкоомной, чем область базы. Часть инжектированных эмиттерным переходом носителей заряда рекомбинирует с основными носителями базы и не доходит до коллекторного перехода. Эта часть невелика и составляет примерно несколько процентов — десятые

сотые доли процента инжектированных зарядов. Таким образом, ток из цепи эмиттера передается в цепь коллектора с коэффициентом α=I_K/I_Э. Коэффициент а называется коэффициентом передачи тока эмиттера в коллектор. В современных транзисторах α=0,95÷0,99 и более (но всегда α<1).

На ток I_к, переданный из цепи эмиттера в цепь коллектора, накладывается обратный (тепловой) ток I_Ко коллекторного перехода. Таким образом, формулу для коллекторного тока можно записать в виде

Была рассмотрена работа биполярного транзистора в активном режиме. Внешние напряжения прикладывались между эмиттером и базой и между коллектором и базой. При этом потенциал базы оставался неизменным. Такой режим соответствует включению транзистора по схеме с общей базой (ОБ) (рис. 73, а). Управляющим током в этой схеме является ток эмиттера, управляемым — ток коллектора.

► Кроме схемы ОБ получили широкое применение схемы включения транзистора с общим эмиттером ОЭ (рис. 74,а) и общим коллектором ОК (рис. 74,6). Вольтамперными для любой из схем включения являются входные и выходные характеристики.

Рассмотрим вольт-амперные характеристики, n-р-n-транзисторов как наиболее широко применяемых (для р-n-р-транзисторов необходимо изменить знаки напряжений и токов на противоположные). Входные характеристики для схемы с общей базой (см. рис. 73,б) представляют собой зависимости I_Э=f(U_ЭБ) при U_KБ=const, а выходные (см. рис. 73, в) — зависимости I_к=f(U_ЭБ) при I_э = const. Для нормального активного режима выходные характеристики представляют собой семейство параллельных прямых.

В схеме с общим эмиттером управляющим током является ток базы. Поэтому входной характеристикой будет зависимость I_Б=f(U_ЭБ) при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером U_кэ (рис. 74, в), а выходной — зависимость I_к=f(U_КЭ) при фиксированном значении тока базы (рис. 74, г). В активном режиме идеализированные выходные характеристики представляют собой параллельные прямые, описываемые уравнением

где β=α/(1—α) — коэффициент передачи тока базы в коллектор.]

Значение коэффициента р много больше единицы. Обычно β= 20 ÷ 200, а для некоторых типов транзисторов достигает 1000 и более. Реальные характеристики имеют наклон. Ток I_к возрастает с увеличением U_KЭ. Для оценки реальной зависимости I_K = f(U_KЭ) в активном режиме вводится параметр — дифференциальное сопротивление коллектора в схеме с ОЭ . В схеме с общим коллектором управляющим током является ток базы, а управляемым — ток эмиттера. Вольтамперные характеристики транзистора в этой схеме практически такие же, как и в схеме с ОЭ, поскольку ток коллектора практически равен току эмиттера.

►Выпускаемые промышленностью биполярные транзисторы классифицируют в основном по максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторном переходе Р_Kтах, максимальному напряжению между коллектором и эмиттером U_{КЭ max} и максимальному току коллектора I_Кmах.