БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух электронно-дырочных переходов, выполненных в одном кристалле полупроводника (рис. 2.15, а). Транзистор состоит из трех областей: эмиттерной, базовой и коллекторной, снабженных соответствующими выводами. Образующийся на границе эмиттер-база p-n-переход называется эмиттерным, а на границе база-коллектор — коллекторным.

Электропроводность базы может быть как дырочной (n-p-n типа), так и электронной (p-n-p типа) (рис. 2.15, а, б).

На схемах эмиттер обозначают в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (см. рис. 2.15, а, б).

Особенностью работы транзистора является влияние переходов друг на друга. В транзисторах ток эмиттера практически должен полностью переходить в коллекторную область,

т. е. I_э ≈ I_к. Для этого при изготовлении необходимо выполнить следующие условия:

1. ширина области базы должна быть меньше диффузионной длины пробега инжектируемых в нее основных носителей зарядов, а концентрация основных носителей зарядов области базы должна быть минимально возможной;

2. концентрация основных носителей зарядов в эмиттерной области должна быть значительно больше концентрации носителей области базы;

3. площадь коллекторной области должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Рис. 2.15. Структурные схемы и условные обозначения биполярных транзисторов:

а - n-p-n типа; б - p-n-p

При подключении коллекторного напряжения U_K коллекторный переход смещается в обратном направлении, и в коллекторной цепи появляется незначительный ток I_к.о, который называется обратным током коллектора. В большинстве расчетов этим током пренебрегают ввиду его малого значения. Если к переходу эмиттер — база подключить источник напряжения с указанной на рис. 2.15, б полярностью, эмиттерный переход сместится в прямом направлении и создадутся условия для инжектирования дырок из эмиттера в базу. Так как концентрация электронов в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то электронная составляющая тока эмиттерного перехода мала. Ввиду малой ширины базы и незначительной концентрации электронов в ней дырки, попавшие в базу, не успевают рекомбинировать и как неосновные носители базы попадают в ускоряющее поле обратно смещенного коллекторного перехода. Таким образом, практически все дырки из области базы эмиттера доходят до коллектора. Следовательно, ток коллектора определяется выражением

I_к = I_к.о + α I_э,

где α — коэффициент передачи эмиттерного тока, показывающий, какая часть тока эмиттера замыкается через коллектор.

Так как не все дырки (а только большая их часть) доходят до коллектора, то всегда α < 1. Для большинства транзисторов коэффициент α находится в пределах 0,95—0,99. Незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами в области базы и создает ток базы.

Схемы включения транзисторов.

1. с общей базой (ОБ),

2. с общим эмиттером (ОЭ),

3. с общим коллектором (ОК).

Эти способы включения показаны на рис. 2.16, а, б, в соответственно на примере транзистора типа n-p-n.

В схеме с ОБ входным током является ток эмиттера, выходным — ток коллектора (относительно базы). Входным сопротивлением является сопротивление прямо включенного эмиттерного перехода, а выходным — сопротивление обратно включенного коллекторного перехода. У современных транзисторов усиления по току в схеме с ОБ нет, так как α < 1.

Коэффициент усиления по напряжению и коэффициент усиления по мощности в схеме с ОБ К_u и K_p будут больше единицы.

Схема с ОЭ (см. рис. 2.16, б) применяется чаще. Общим электродом в схеме является эмиттер, входным током служит ток базы I_б, выходным — ток коллектора I_к. Схема с ОЭ обеспечивает усиление по току. Как и в схеме с ОБ, транзистор в схеме с ОЭ усиливает сигнал по напряжению и мощности.

Входные статические характеристики схемы с ОЭ (рис. 2.17, а) отражают функциональную зависимость тока базы от напряжения на входе: I_б = f (U_б.э) при U_б.э = const. При U_к.э = 0 ветвь входной характеристики представляет собой ВАХ полупроводникового диода, включенного в прямом направлении. При увеличении напряжения на коллекторе U_к.э характеристики смещаются вправо и вниз относительно начала координат, т. е. ток базы I_б уменьшается.

Выходные статические характеристики в схеме с ОЭобразуют семейство характеристик с функциональной зависимостью I_к = f (U_к.э) при I_б= const (рис. 2.17, б). График, соответствующий току базы I_б = I_к.б.о. проходит через начало координат. Выходные характеристики коллекторного тока I_к для тока базы I_б > 0 не проходят через начало координат и смещаются относительно характеристики при I_б = 0 вверх на величину βI_б, где β — коэффициент передачи тока базы.

В схеме с ОК (см. рис. 2.16, в) (эмиттерный повторитель), входным током, как и в схеме с ОЭ, является ток базы I_б, а выходным — ток эмиттера I_э. В схеме транзистор усиливает сигнал по току,а коэффициент усиления по напряжению K_u всегда меньше единицы.

Статические характеристики транзисторов в схеме с ОК подобны характеристикам транзисторов в схеме с ОЭ.

В усилительных и импульсных устройствах наиболее часто транзисторы используют в схеме с ОЭ. При этом в выходную (коллекторную) цепь включают резистор R_к, а во входную (базовую) цепь — источник входного сигнала с напряжением U_вх (рис. 2.18, а), т.к. только при наличии R_к возможен процесс усиления по напряжению и мощности входного сигнала. При изменении входного тока базы меняется не только ток в цепи коллектора, но и напряжение на коллекторе. Это вызвано тем, что напряжение источника питания Е_к будет непрерывно перераспределяться между резистором R_к и выходными электродами транзистора согласно формуле U_к.э = Е_к - I_кR_к. Такой режим работы транзистора называется динамическим и характеризуется сильным взаимным влиянием параметров транзистора и элементов схемы.

Построение динамических характеристик осуществляют с целью выбора оптимального режима работы транзистора. На рис. 2.18, б, в приведены выходные и входные статические характеристики с графическими построениями входных и выходных сигналов.

Рис. 2.17. Статические характеристики транзистора с общим эмиттером:

а - входные; б – выходные

Рис. 2.18. Транзистор, включенный по схеме с ОЭ и работающий в режиме усиления

а - схема включения; б - выходные коллекторные характеристики; в - входная базовая характеристика: г - временная диаграмма входных и выходных напряжений

Основные параметры транзисторов:

1. максимальный ток коллектора I_{к max};

2. максимальное напряжение между коллектором и эмиттером U_{к.э max};

3. максимальная мощность рассеивания на коллекторе P_{к max};

4. статический коэффициент усиления по току β_ст.