Биполярные транзисторы. Усилительные каскады
Ц е л ь р а б о т ы: изучить назначение, принцип действия биполярных транзисторов; научиться определять параметры и характеристики полупроводниковых транзисторов; исследовать схемы усилителей на биполярном тран-зисторе.
4.1. Краткие теоретические сведения
Транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, применяемые для усиления и генерирования электрических колебаний. По принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые. Транзистор называют биполярным из-за того, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков (свободных дырок и электронов). Устройство биполярного транзистора основано на явлениях взаимодействия двух близко расположенных p-n-переходов. Возможны две трехслойные структуры с различным чередованием участков с электронной и дырочной проводимостью, отсюда различают транзисторы двух типов: p-n-p и n-p-n. Структура и условное обозначение транзисторов p-n-p и n-p-n-типа приведены на рис. 4.1. К каждой из областей (эмиттер, коллектор, база) присоединены выводы, с помощью которых транзистор включается в схему.
Биполярный транзистор представляет собой монокристалл кремния или германия, в котором созданы три области с чередующимися типами проводимости (p-n-p и n-p-n). Средняя область имеет проводимость, противоположную крайним областям. Среднюю область называют базой, а крайние − эмиттером и коллектором. Между эмиттером и базой создается электронно-дырочный переход, называемый эмиттерным. Переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом. Проводимость базовой области может быть как электронной, так и дырочной, соответственно этому транзисторы бывают p-n-p и n-p-n-типа.
Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков. Различие между ними заключается в том, что в транзисторе p-n-p ток создается дырками, а в транзисторе n-p-n-электронами.
Рис. 4.1. Типы проводимости транзисторов:
а – p-n-p; б – n-p-n
Транзисторы n-p-n-типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p-типа эти правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные).
1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
2. Цепи «база – эмиттер» и «база – коллектор» работают как диоды. Диод «база – эмиттер» обычно открыт (т. е. смещен в прямом направлении), а диод «база – коллектор» смещен в обратном направлении (т. е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него).
3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями тока коллектора Iк, тока базы Iб и напряжения «коллектор – эмиттер» Uк-э. При превышении этих значений транзистор выходит из строя.
4. Если предыдущие правила соблюдены, то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы и можно записать соотношение: Iк = Iб h21, где h21 – коэффициент усиления по току.
Поскольку Iэ
= Iк
+ Iб,
а ток базы пренебрежимо мал по сравнению
с током коллектора, то можно сказать,
что Iэ
Iк,
т. е. ток коллектора приблизительно
равен току эмиттера.
В зависимости от выбранных значений питающих напряжений, сопротивления нагрузки и от амплитуды и формы сигналов, подаваемых на вход тран-зистора, различают следующие основные режимы работы транзисторов: активный, или усилительный; режим отсечки соответствует закрытому состоянию транзистора; режим насыщения в выходной цепи транзистора проходит большой ток, величина которого практически не меняется при изменении входного тока.
Каждый из режимов находит свое практическое применение:
транзисторные усилители гармонических сигналов работают в активном режиме. Предварительные каскады усиления работают в режиме малого сигнала, выходные каскады усилителей − в режиме большого сигнала;
транзисторные ключевые схемы (транзисторные ключи) работают в режимах отсечки и насыщения, переход из одного режима в другой происходит скачкообразно (включен/выключен).
Система обозначений современных типов транзисторов в странах СНГ установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81.