Біполярні транзистори

Біполярний транзистор - це напівпровідниковий прилад, який використовують для підсилення електричного сигналу. Вінмає три області з різними типами електропровідності, два р-n - переходи і три виводи (електроди). Середній електрод називаєтьсябазою (Б), два крайні- емітером(Е) (зі стрілкою, спрямованою завжди із р-області в n-область) та колектором (К). Біполярним цей прилад називається тому, що струм у ньому створюється носіями зарядів двох типів - електронами і дірками. Можливі два варіанти чергування структур у транзисторах, у відповідності до яких існують транзистори типів р-n-р та n-р-n. Транзистор можна уявити як два послідовно з'єднаних діоди в одному корпусі. Якщо діоди мають спільні катоди, вони створюють транзистор типу р-n-р, а якщо спільні аноди -транзистор типу n-р-n. Покажемо на рисунку структурні схеми таких транзисторів та їх стандартні зображення в електричних схемах (емітерний вивід позначається стрілкою, яка скерована до бази в транзисторах р-n-р і від бази - в транзисторах n-р-n типу).

Розглянемо роботу транзистора типу р-n-р(транзистор типу n-р-n працює аналогічно, але до нього подаються напруги протилежної полярності). Для того, щоб транзистор працював у активному режимі , до його виводів треба під'єднати зовнішні джерела напруги з полярністю, показаною на рисунку. Тоді до р-n- переходу емітер - база буде прикладена напруга U_еб в прямому напрямку, а до р-n - переходу база - колектор - напруга U_бк в зворотному напрямку. Як вже згадувалося в р-n - переходах напівпровідникових приладів нерухомими іонами атомів домішок створюється електричне запираюче електричне поле е_зап. Якщо коло емітер - база розімкнене, то до р-n - переходу база - колектор буде прикладена напруга U_бк зворотного напрямку і в колекторному виводі буде протікати струм І_к=I_кз, який є зворотним струмом р-n – переходу (величина його дуже мала, тому що створюється не основними носіями зарядів, тобто електронами в колекторі і дірками в базі). Якщо тепер на виводи емітер - база подати зовнішню напругу U_еб, яка створить зовнішнє поле з напруженістю Е_зовн більшою від напруженості поля е_зап р-n - переходу, дірки з емітера почнуть інжектуватися в базу, в якій є в наявності порівняно невелика кількість електронів. Незначна частина дірок, що пересунулись до бази з емітера, рекомбінує з цими електронами(рекомбінація - процес зустрічі електронів з дірками, які супроводжуються зникненням вільних зарядів), створюючи базовий струм і_б, а більша частина дірок пересувається полем е_зап n-р - переходу база - колектор і полем зовнішнього джерела напруги до колектора, утворюючи струм колектора І_к.

Отже, якщо напруга U_еб відсутня, струм колектора І_к≈І_кз≈0. Поданням напруги U_еб можна створити струм колектора, який тепер буде рівний . Тут - коефіцієнт передачі струму від емітера до колектора. У сучасних транзисторах α=0,9÷0,99. Отже наближено α=1. Отже транзистор - це керований пристрій, так як величина колекторного струму залежить від величини струму емітера. Для наведеної схеми вмикання транзисторів за першим законом Кірхгофа I_E=I_Б+І_к. Оскільки І_Б<< І_к, то І_Е≈І_к.

Підставивши в рівняння І_к=І_кз+αІ_Е значення І_е=І_б+І_к і виконавши необхідні перетворення отримаємо: . Тут - коефіцієнт передачі струму бази.

Позначимо струм . Якщо прийняти і_кео≈0, оскільки І_кз≈0, то залежність струму колектора від струму бази: .

Як випливає з вищесказаного, транзистор типу р-n-р підпорядковується таким правилам:

а) емітер має вищий потенціал, ніж потенціал колектора;

b) переходи емітер - база та база - колектор працюють як діоди (перший завжди відкритий, другий - закритий);

с) струм колектора пропорційний струму бази, тобто ;

d) кожен транзистор характеризується максимальним значенням струмів колектора (І_к) та бази (I_Б) і напругою між колектором та емітером (U_ЕК).

Оскільки емітер ний перехід вмикається прямо, то він має малий опір. Колекторний перехід вмикається зворотно й тому має дуже великий опір. До емітера прикладається невелика напруга (U_еб), а до колектора (U_Бк) дуже велика. Малою зміною струму емітерного переходу можна керувати великими змінами струму в колі колектора, тобто в колі навантаження. Отже, транзистор підсилює потужність і можна його розглядати як підсилювач, який має вхідні та вихідні виводи. Оскільки транзистор є триполюсником, то один з трьох його виводів має бути спільним для вхідного і вихідного кола. Якщо спільним є вивід бази, то така схема з'єднань називаєтьсясхемою із спільною базою (СБ), а якщо вивід емітера -схемою із спільним емітером(СЕ), якщо вивід колектора- схемою із спільним колектором (СМ).