Биполярные транзисторы.

Транзисторы - это электронные приборы, предназначенные для усиления и преобразования сигналов. Наиболее распространены транзисторы с двумя р-п переходами и тремя выводами. Их называют биполярными, так как в работе используются носители обоих знаков.

В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний. При изготовлении транзисторов обязательно должны быть выполнены два условия:

1) толщина базы (расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2) концентрация примесей в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе.

В зависимости от напряжения на р-п переходах транзистор может работать в одном из трех режимах:

- в активном режиме - когда на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном обратное;

- в режиме отсечки (запирания) - когда на оба перехода поданы обратные напряжения;

- в режиме насыщения - когда на оба перехода поданы прямые напряжения.

Рассмотрим работу транзистора п-р-п в активном режиме. В цепь источника коллекторного напряжения - Е_К транзистор включают последовательно с резистором R_К. На вход транзистора подается управляющая ЭДС-Е (рис. 12.6а). При таком включении эмиттер является общей точной входной и выходной цепей. Поэтому оно называется включением с общим эмиттером.

Е

Внешние источники включают так, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение (плюс источника Е подан на базу, минус - на эмиттер), а на коллекторном переходе - обратное (плюс источника Е_К - на коллектор, минус - на эмиттер). Обычно Е_К>> Е . Поэтому

.

Под воздействием прямого напряжения U_бэ начинается усиленная диффузия электронов из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера I_э. Так как база транзистора выполняется тонкой, основная часть электронов достигает коллекторного перехода не попадая в центры рекомбинации. Эти электроны захватываются ускоряющим полем закрытого коллекторного перехода с потенциалом

и втягиваются в область коллектора.

Ток электронов, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь и источник Е_К. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. Эта часть уменьшает ток коллектора на величину a, т.е.

I_к = a I_э, (12.3)

где a = 0,9 ¸ 0,99 - коэффициент передачи тока эмиттера.

Заряд рекомбинировавших электронов остается в базе. Для компенсации этого заряда из источника Е_б в базу поступают дырки. Поэтому ток базы представляет собой ток рекомбинации

. (12.4)

Ток коллектора, определяемый выражением (12.3), зависит от напряжения U_бэ и называется управляемым. Кроме управляемого тока, через закрытый коллекторный переход протекает обратный ток I_кбо, обусловленный дрейфом собственных носителей заряда. С учетом этого

,

а

.

Выразим ток эмиттера из последнего выражения

Подставляя это значение в выражение для тока коллектора, получаем:

, (12.5)

где b - коэффициент передачи тока базы >> 1;

I_кэо – обратный ток транзистора.

Так как I_кэо обычно пренебрежимо мал, справедливо приближенное равенство

. (12.6)

Оно показывает, что если ток базы изменить на величину I_б, то ток коллектора изменится на величину bDI_б, т.е. в b раз большую. В этом и заключается суть усиления.

К основным параметрам биполярных транзисторов относятся средние и максимально допустимые значения токов коллектора и базы, максимальные значения напряжений U_кэ; U_бэ; U_кб; коэффициент передачи тока базы b, максимально допустимые частота и мощность и т.п.

Каждый транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик (рис. 12.6б и 12.6в соответственно). Выходной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока коллектора от напряжения U_кэ т.е. I_к = j(U_кэ), снятая при постоянном токе базы I_{б =} const.

На выходной характеристике можно выделить три характерных участка. Первый участок лежит в области малых значений . При таком напряжении коллекторный переход оказывается открытым. Транзистор работает в режиме насыщения. Ток коллектора резко изменяется с изменением напряжения . Напряжение отсекающее крутой участок лежит в пределах . Первый участок используется в импульсной технике при реализации ключевого режима транзистора.

Большую часть характеристики занимает II, пологий участок. На этом участке ток коллектора почти не зависит от напряжения . Его значение практически полностью определяется током базы (12 в.). Транзистор работает в активном режиме, обеспечивая усиление сигнала. Небольшой наклон пологого участка обусловлен тем, что с ростом увеличивается потенциальный барьер закрытого коллекторного р-n перехода, расширяется его запирающий слой за счет толщины базы. В более тонкой базе меньше вероятность рекомбинации, поэтому значение b, а значит и увеличивается.

Резкое увеличение тока на III участке характеристики вызывается явлением электрического пробоя.

Входной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока базы от напряжения , при постоянном напряжении . При оба перехода в транзисторе работают под прямым напряжением.

Токи коллектора и эмиттера складываются в базе. Входная характеристика транзистора, в этом случае, представляет собой ВАХ двух p-n переходов, включенных параллельно.

При коллекторный переход закрывается. Транзистор переходит в активный режим работы. Ток базы в этом режиме определяется выражением (12.4). Поэтому входная характеристика транзистора строится как прямая ветвь ВАХ одного (эмиттерного) перехода.

В заключение необходимо отметить, что токи транзистора сильно зависят от температуры окружающей среды. Это общий недостаток полупроводниковых приборов. Причина этого недостатка в том, что с ростом температуры увеличивается концентрация собственных носителей заряда (пары электрон-дырка). Поэтому ток удваивается с увеличением температуры на каждые 8 ¸ 10⁰С. Кроме того, с увеличением температуры центры рекомбинации (дефекты кристаллической решетки) постепенно заполняются, и вероятность рекомбинации носителей в базе падает, а, значит, коэффициент передачи тока базы b увеличивается. Таким образом, при нагреве на 20 ¸ 30⁰ С ток может измениться на десятки процентов.