2.2. Биполярные транзисторы и схемы их включения

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя выводами, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода, которые образованы между тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы РNP и NPN-типов.

Средняя область называется базой (Б). Как будет показано далее, при включении транзистора в схему к одному из переходов оказывается приложенным прямое напряжение, а к другому — обратное. Переход, к которому приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующую наружную область — эмиттером (Э). Другой переход, смещенный в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующую наружную область — коллектором (К).

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере РNР-структуры (рис. 11,а). Как указывалось, между базой и эмиттером к транзистору подают прямое напряжение U_БЭ, для которого эмиттерный переход открыт и, следовательно, под действием напряжения в доли вольта (см. характеристику РN-перехода на рис. 7, а) через него потечет значительный прямой ток эмиттера I_Э. Если бы концентрация примесей (а значит и носителей заряда) в эмиттере и базе была одинаковой, то ток через эмиттерный переход создавался бы перемещением одинакового числа дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Но в транзисторах концентрация носителей в базе во много раз ниже, чем в эмиттере, поэтому ток I_Э создается в основном дырками, инжектированными эмиттером в базу. Образно говоря, эмиттер «испускает» в базу дырки. Введенные в базу дырки пытаются рекомбинировать со свободными электронами базы, но так как последних мало, а область базы узкая, подавляющее большинство дырок успевает пройти через базу и достигнуть коллекторного РN-перехода, прежде чем произойдет рекомбинация. Небольшая же часть рекомбинировавших дырок создаст ток базы I_Б.

Рис. 11. Принцип действия биполярных транзисторов и их условные обозначения:

а и б – РNР-типа; в и г — NPN-типа; ○ — дырки;

● — электроны; , —ионы

Подойдя к коллектору, дырки начинают испытывать ускоряющее действие отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси коллектора (они обозначены на рис. 11, а минусами в кружочках). Это поле для дырок является ускоряющим, и они втягиваются из базы в коллектор, «собираются» им, создавая ток коллектора I_K.

Учитывая небольшой процент дырок, рекомбинирующих с электронами в базе, можно считать, что

где  = 0,95-0,99 — коэффициент передачи тока эмиттера.

Так как напряжение U_БК является обратным, оно в десятки раз может превышать напряжение U_БЭ, которое, будучи прямым, является входным для транзистора (ср., например, вольт-амперную характеристику РN-перехода на рис. 7, а). Входной ток транзистора I_Э и его выходной ток I_K примерно равны. Поэтому мощность на выходе схемы U_БК I_K может оказаться намного больше, чем затрачиваемая во входной цепи U_БЭ I_Э. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Принцип действия транзистора NРN-типа отличается только тем, что носителями зарядов в нем служат не дырки, а свободные электроны, обозначенные зачерненными кружками на рис. 11, в. Так как за положительное направление тока в электротехнике принято направление, противоположное направлению электронов, то эта условность нашла отражение как в направлении стрелок у токов I_Э, I_Б и I_K, так и в условном обозначении транзистора (рис. 11, г). При этом противоположными будут и полярности напряжений U_БЭ и U_КБ, оставаясь, как и в предыдущем типе транзистора, прямой — для эмиттерного и обратной — для коллекторного перехода.

Транзистор, имеющий входную и выходную цепи, можно рассматривать как четырехполюсник, а так как у транзистора только три вывода, то один из них должен быть общим, принадлежащим как входной, так и выходной цепи. Возможны три варианта схем включения транзисторов — с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Схема с общей базой (ОБ). Эта схема (рис. 12, а) по существу не отличается от схемы, рассмотренной на рис. 10, а. Входным сигналом является напряжение, поданное между эмиттером и базой U_вх=U_ЭБ, выходным — напряжение, выделяемое на нагрузке U_вых = I_KR_н, входным током — ток эмиттера I_вх=I_Э, выходным — ток коллектора I_вых=I_К.

Рис. 12. Схема включения (а) транзистора с общей базой, ее входные (б) и выходные (в) характеристики

Для оценки работы транзистора в разных схемах включения удобно рассматривать приращения входных и соответствующие им приращения выходных величин.

Коэффициент передачи тока эмиттера определится как

Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Для схемы ОБ (параметры этой схемы отмечаются индексом «Б») коэффициент усиления по току

Входное сопротивление R_вхБ=ΔU_вх/,ΔI_вх, а так как входным напряжением является прямое для эмиттерного перехода напряжение U_ЭБ, то

и, следовательно, входное сопротивление схемы ОБ представляет сопротивление эмиттерного РN-перехода для прямого тока и составляет обычно единицы — десятки Ом.

Коэффициент усиления по напряжению

т. е. определяется соотношением сопротивления нагрузки и входного.

Коэффициент усиления по мощности

тоже определяется соотношением сопротивлений.

Наиболее полное представление о связях между параметрами схемы дают входные и выходные характеристики. Для схемы ОБ входная характеристика — это зависимость тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой при постоянном падении напряжения между коллектором и базой: I_Э=f(U_ЭБ) при U_КБ=const. На рис. 12, б приведены типичные характеристики, из которых видно, что они аналогичны прямой ветви вольт-амперной характеристики РN-перехода (см. рис. 7, а), причем изменения напряжения U_КБ слабо влияют на ток I_Э. Это объясняется тем, что оно почти целиком сосредоточено на коллекторном переходе и на прохождение зарядов через эмиттерный переход влияет незначительно. Поэтому в справочниках для транзистора приводят лишь две характеристики: одну для U_КБ=0 и другую при U_КБ=5 В.

Выходные характеристики для схемы ОБ (рис. 12, в) — это зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и базой при постоянных значениях эмиттерного тока: I_K=f(U_KБ) при I_Э=const. Эти характеристики почти горизонтальны, потому что коллекторный ток определяется носителями, поставляемыми эмиттерным током и почти целиком проходящими через базу в коллекторный переход. При постоянстве тока эмиттера неизменно и количество носителей, создающих коллекторный ток.

При I_Э=0 эмиттер не поставляет носителей зарядов в коллекторный переход, тем не менее в коллекторной цепи протекает ток I_КБ0 соответствующий обратному току I₀ обычного РN-перехода (ср. рис. 7, а).

При перемене полярности источника питания Е_K напряжение U_КБ=Е_K – I_KR_н тоже изменит полярность, т. е. станет прямым для коллекторного перехода, и вызовет прямой ток, противоположный создаваемому эмиттером. В итоге результирующий ток I_K (как показано на рис. 12, в пунктиром) спадает до нуля при — U_КБ в десятые доли вольта. Участки характеристик, показанные пунктиром, практически не используются и в справочниках обычно не приводятся.

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Для схемы с общим эмиттером (рис. 13) входным сигналом (так же, как для схемы ОБ) является напряжение между базой и эмиттером, однако входные характеристики представляют зависимость не эмиттерного, а базового тока от этого напряжения I_Б=f(U_БЭ) при постоянных напряжениях между коллектором и эмиттером (рис. 14,а). С увеличением напряжения U_КЭ ток I_Б снижается, потому что в области базы уменьшается вероятность рекомбинации носителей, поставляемых эмиттером, так как они быстрее втягиваются напряжением U_КЭ в коллектор.

Рис. 13. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Выходными величинами, как и в схеме ОБ, в схеме ОЭ являются коллекторный ток I_К и напряжение на нагрузке U_вых = I_KR_н, а выходные характеристики — это зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при токе базы (входном токе схемы) как параметре (рис. 14, б). Транзистор в схеме ОЭ характеризуется коэффициентом передачи тока

имеющим значения = 10-100.

Вид выходных характеристик резко различен в области малых (участок ОА) и относительно больших значений U_КЭ. Поясним это различие, пользуясь схемой рис. 14, в, из которой видно, что напряжение на переходе «база — коллектор» равно U_БК=U_КЭ – U_БЭ. Поэтому, пока |U_КЭ|<U_БЭ, напряжение на коллекторном переходе оказывается прямым, что резко уменьшает ток I_К (ср. пунктирные участки на выходных характеристиках рис. 12, в). При |U_КЭ|>U_БЭ напряжение на коллекторном переходе становится обратным, и следовательно, мало влияет на величину коллекторного тока, который определяется в основном током эмиттера или пропорциональным ему током базы (ср. участки выходных характеристик рис. 12, в при положительных напряжениях U_КБ).

Рис. 14. Входные (а) и выходные (б) характеристики схемы транзистора с общим эмиттером; в — схема определения полярности напряжения на коллекторном переходе

Отметим, что участок характеристики ОВ при I_Б=0 представляет обратную ветвь вольт-амперной характеристики РN-перехода и ей соответствует ток I_КЭ0.

Приведенные на рис. 12 и 14 характеристики транзисторов называются статическими, потому что они не учитывают перераспределение напряжений между транзистором и нагрузкой при изменении входного сигнала. Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим.

Рассмотрим, как учесть влияние нагрузки в схеме ОЭ. Для этого из точки Е_К (рис. 14,б) проведем прямую под углом arctg R_н к оси токов. Тогда точка пересечения нагрузочной прямой, как называют эту линию, со статической выходной характеристикой определяет текущее значение тока I_К и распределение напряжения питания Е_Б между транзистором U_КЭ и нагрузкой I_КR_н для тока базы I_Б, являющегося параметром этой статической характеристики. На рисунке обозначены построения для точки пересечения р при I_Б =1 мА. Нетрудно видеть, что подача тока базы I_Б =2 мА приведет к перераспределению напряжений, определяемому точкой А, а при отсутствии сигнала — определяемому точкой В.

Обратим внимание, что нагрузочная прямая отсекает на оси токов отрезок, равный E_K/R_н, чем удобно пользоваться для ее построения.

Входная динамическая характеристика представляет собой зависимость тока базы (входного тока) от напряжения U_БЭ (входного напряжения) в динамическом режиме. Для ее построения надо для каждого напряжения U_КЭ, отмеченного как параметр на входных статических характеристиках (на рис. 14, а это U_КЭ=3; 11 и 22 В), определить с помощью нагрузочной прямой и выходных характеристик соответствующие токи базы (см. на рис. 3.23, б I_Б=2; 1 и 0 мА). Затем на входных статических характеристиках нужно отметить токи, соответствующие найденным токам базы (см. на рис. 14, а точки А', р' и В'), и, соединив их плавной кривой, получить входную динамическую характеристику транзистора (она нанесена пунктирной линией).

В заключение отметим, что режим, соответствующий точке А, называют режимом насыщения (при заданных значениях R_н и E_K ток I_K в точке А достигает наибольшего возможного значения). Режим, соответствующий точке В (входной сигнал равен нулю), а также точке С (входной сигнал отрицателен и запирает транзистор), называют режимом отсечки. Все промежуточные состояния транзистора с нагрузкой между точками А и В относятся к активному режиму его работы.

Оценим значения коэффициентов усиления схемы ОЭ (их обозначают индексом «Э»).

Коэффициент усиления по току

При =0,98 k_IЭ=0,98/(1—0,98)50.

Коэффициент усиления по напряжению

и коэффициент усиления по мощности

как и в схеме ОБ, зависят от отношения сопротивлений нагрузки и входного.

Рис. 15. Схема транзистора с общим коллектором (а), ее входные (б) и выходные (в) характеристики

Схема с общим коллектором (ОК). Эта схема (рис. 15, а) имеет входные характеристики, напоминающие характеристики схемы ОЭ, однако значения входных напряжений (ср. рис. 15, б и 14, а) в схеме ОК в сотни раз больше. Это объясняется тем, что прямое напряжение между эммитером и базой, необходимое для создания эмиттерного тока (ср. рис. 11, а), в схеме ОК создается как разность между выходным и входным напряжениями.

Выходные характеристики схемы ОК тоже близки к выходным характеристикам схемы ОЭ, хотя и отличаются большим наклоном в области I_Б>0.

Оценим коэффициенты усиления схемы ОК. Коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) k_IK=ΔI_вых/ΔI_вх =ΔI_Э/ ΔI_Б можно выразить через коэффициент передачи тока схемы ОЭ, если учесть, что ΔI_Э =ΔI_К + ΔI_Б:

Коэффициент усиления по напряжению, как видно из схемы,

так как ∆U_БЭ<< ∆U_вх и, следовательно, усиление по напряжению отсутствует, т. е. ∆U_вых∆U_вх. Равенство U_выхU_вх при открытом транзисторе дало этой схеме название эмиттерного повторителя (U_вых «повторяет» U_вх).

Коэффициент усиления по мощности