Біполярні транзистори. Транзистори (від англ. transfer – переносити та resistor – опір) – напівпровідниковий прилад з трьома або більше виводами

Транзистори

Транзистори (від англ. transfer – переносити та resistor – опір) – напівпровідниковий прилад з трьома або більше виводами, який призначається для підсилення, генерування та перетворення електричних коливань, комутації сигналів і т.п. Від електронних ламп, що виконують ті ж самі функції, транзистори відрізняються малим розміром, високою економічністю у споживанні електричної енергії, великою механічною міцністю та довговічністю, миттєвою готовністю до роботи. За принципом дії транзистори поділяються на два класи: біполярні та уніполярні (польові).

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 розгляду принципу роботи біполярного транзистора скористаємося схемою, приведеною на рисунку.З малюнка видно, що транзистор являє собою власне кажучи два напівпровідникових діоди, що мають одну загальну область - базу, причому до емітерного р-n переходу прикладена напруга Е₁ (U_БЕ) у прямому (пропускному) напрямку, а до колекторного переходу прикладена напруга Е₂ (U_БК) у зворотному напрямку. Звичайно |Е₂| >> |Е₁|. При замиканні вимикачів SA1 і SA2 через емітерний р-n перехід здійснюється інжекція дірок з емітера в область бази. Одночасно електрони бази будуть проходити в область емітера. Отже, через емітерний перехід піде струм по наступному шляху: +Е₁, міліамперметр РА1, емітер, база, міліамперметр РА2, вимикачі SA2 і SA1, - Е₁.

Якщо вимикач SA1 розімкнути, а вимикачі SA2 і SA3 замкнути, то в колекторному ланцюзі пройде незначний зворотний струм , викликаний спрямованим рухом неосновних носіїв заряду - дірок бази й електронів колектора. Шлях струму: +Е₂, вимикачі SA3 і SA2, міліамперметр РА2, база, колектор, міліамперметр РАЗ, - Е₂.

Так як концентрація носіїв заряду в базі значно менше, ніж в емітері, то це приводить до того, що число дірок, інжектованих з емітера в базу, у багато разів перевищує число електронів, що рухаються в протилежному напрямку. Отже, майже весь струм через емітерний р-n перехід обумовлений дірками. Інжектовані через емітерний перехід дірки проникають усередину бази. Дірки, потрапивши в базу, для якої вони є неосновними носіями заряду, починають рекомбінувати з електронами. Але рекомбінація - процес не миттєвий. Тому майже всі дірки встигають пройти через тонкий шар бази і досягти колекторного р-n переходу перш, ніж відбудеться рекомбінація. Підійшовши до колектора, дірки відчувають дію електричного поля колекторного переходу. Це поле для дірок є прискорюючим, тому вони в результаті екстракції швидко втягуються з бази в колектор і беруть участь у створенні струму колектора. Ланцюг колекторного струму: +Е₂, вимикачі SA3 і SA1, міліамперметр РА1, емітер, база, колектор, міліамперметр РАЗ, - Е₂.

Приймаючи до уваги малий ступінь рекомбінації дірок з електронами в області бази, тобто можна вважати струм колектора приблизно рівним струму емітера : . 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.

Ті дірки, що все-таки рекомбінують в області бази з електронами, беруть участь у створенні струму бази , який проходить в колі:+Е₁, міліамперметр РА1, емітер, база, міліамперметр РА2, вимикачі SA2 і SA1. Отже, струм бази дорівнює різниці струмів емітера і колектора

Для наведеної схеми вмикання транзисторів за першим законом Кірхгофа . Оскільки І_Б<< І_к, то .

Підставивши в рівняння значення 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 емітерний 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 (СК).

В схемі із спільною базою вхідний струм , а вихідний . Отже, вихідний струм і завжди дещо менший вхідного. Коефіцієнт підсилення струму . Вхідна напруга прикладена до емітерного переходу в прямому напрямку і не перевищує 0,6 В. Вихідна ж напруга прикладена до колекторного переходу в зворотному напрямку і тому може бути значно більшою. Коефіцієнт підсилення напруги для схеми з СБ . Коефіцієнт підсилення потужності . Оскільки вхідний струм керування в схемі з СБ завжди трохи більший вихідного, то така схема застосовується рідко.

Найбільш поширена схема з'єднань транзистора -схема із спільним емітером. В цій схемі вихідний струм значно більший вхідного , оскільки .Коефіцієнт підсилення струму , який рівний декілька десятків. Вхідна напруга прикладена до р-n - переходу емітер - база в прямому напрямку і має, як і в схемі з СБ, низький рівень. Вхідна напруга спричинює перехід дірок з емітера до бази. Невелика частина дірок рекомбінує в базі з її електронами, а інші переходять у колектор, створюючи струм колектора . Вихідна напруга прикладена до n-р - переходу база - колектор у зворотному напрямку, отже, може бути значно більшою від вхідної. Тому для транзисторів із СЕ . Внаслідок цього і коефіцієнт підсилення потужності в схемі із СЕ і значно більший, ніж у схемі з СБ.

Можливий і третій варіант схеми з'єднань виводів транзистора -із спільним колектором. Вхідним струмом є струм бази, а вихідним - струм емітера. Таку схему застосовують для підсилення сигналів змінного струму. Оскільки вихідна напруга такого підсилювача мало відрізняється від вхідної за числовим значенням і по фазі, його називають емітерним повторювачем і застосовується значно рідше, ніж дві попередні. Коефіцієнт підсилення по струму емітерних повторювачів може бути дуже великим.