5. Активные полупроводниковые компоненты электронных цепей

5.1. Биполярные транзисторы и их применение

5.1.1. Структура и принцип действия биполярных транзисторов

Биполярный транзистор (БТ) представляет собой конструктивную совокупность двух последовательно соединенных p-n–переходов, взаимодействие которых обеспечивается их близким (порядка единиц микрометров) расположением. В зависимости от типа чередующихся слоев, различают n-p-n и p-n-p БТ. В дальнейшем будем рассматривать главным образом n-p-n БТ. На рис. 5.1 представлена структура, простейшая эквивалентная схема и условное обозначение n-p-n БТ. БТ содержит два p-n–перехода. Для обеспечения максимальной эффективности переходы выполняются резко асимметричными.

Рис. 5.1. Эквивалентная схема, структура и обозначение БТ

Эта асимметричность проявляется в том, что: а) один из n-слоев, например левый на рис. 5.1, легируется сильнее другого, что отражается в обозначении n⁺-p-n БТ; б) площадь левого перехода много меньше площади правого; в) p-слой стремятся выполнить как можно более тонким. Все слои и электроды, с помощью которых БТ включается во внешнюю цепь, имеют свои имена: n⁺-слой называется эмиттером, p-слой – базой, правый n-слой – коллектором. Соответственно левый переход – эмиттерным переходом, а правый – коллекторным. В зависимости от полярности электродов БТ может находиться в трех режимах. Признаки режимов БТ и их характеристики представлены в табл. 5.1.

Прямое смещение перехода реализуется подачей на анод соответствующего диода более положительного потенциала, чем на катод этого же диода. Если более положительным оказывается катод, то переход закрыт.

В основе принципа действия БТ лежат следующие физические процессы: а) инжекция электронов из эмиттера в область базы; б) диффузия инжектированных электронов через область базы; в) собирание на коллекторе электронов, прошедших через базу.

Таблица 5.1

Режим работы БТ	Смещение эмиттерного перехода	Смещение коллекторного перехода	Характеристика
Усилительный	прямое	обратное	большой коэффициент усиления
Двойной инжекции	прямое	прямое	усиления нет
Отсечки	обратное	обратное	усиления нет
Инверсный	обратное	прямое	малый коэффициент усиления

Не все инжектированные из эмиттера электроны достигают коллектора. Часть из них рекомбинирует в области базы с дырками. Но поскольку ширина базы мала, потери на рекомбинацию не превышают долей или единиц процентов. Это, в свою очередь, означает, что ток коллектора I_к примерно равен току эмиттера I_э. В усилительном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, поэтому его дифференциальное сопротивление r_э мало (единицы–десятки ом). Коллекторный переход смещен в обратном направлении (диод закрыт), поэтому его дифференциальное сопротивление r_к очень велико (единицы–десятки мегаом). Считая эмиттерную цепь входной, а коллекторную – выходной, можно оценить коэффициент передачи по мощности K_p = P_к/P_э = (I_к²r_к)/(I_э²r_э)  r_к/r_э  10⁵. По определению усилителем называют устройство, у которого K_p > 1. Следовательно, доказано, что БТ является усилительным элементом.

В максимальной степени усилительные возможности БТ реализуются в трех основных схемах включения (рис. 5.2): а) с общей базой (ОБ); б) общим коллектором (ОК) и в) общим эмиттером (ОЭ). В названии отражается, какой из электродов БТ является общим выводом для входного и выходного сигналов.

вх вых вх вых вх вых

ОБ ОК ОЭ

а) б) в)

Рис. 5.2. Основные схемы включения БТ