9.4. Биполярные транзисторы

Работа биполярных транзисторов основана на явлениях взаимодействия двух близко расположенных p-n-переходов. Различают плоскостные и точечные биполярные транзисторы. Переходы в точечных биполярных транзисторах имеют малую площадь и аналогичны по конструкции переходам в точечных диодах. Такие транзисторы не получили существенного распространения.

Плоскостной биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру типа п-р-п(рис. 9.8) и типа р-п-р. На рис. 9.9, а и б даны условные изображения этих транзисторов. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков (свободных дырок и электронов).

Средний слой биполярного транзистора называется базой Б, один крайний слой — коллектором К, а другой крайний слой — эмиттером Э. Каждый слой имеет вывод, с помощью которого транзистор включается в цепь. В зависимости от полярности напряжения между выводами биполярного транзистора он работает в различных режимах.

Рис. 9.8

Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

1. активный режим, в котором переход эмиттер —база включен в прямом направлении, а переход коллектор — база — в обратном;

2. инверсный режим, в котором переход эмиттер —база включен в обратном направлении, а переход коллектор — база — в прямом;

3. режим отсечки, в котором оба перехода включены в обратном направлении;

4. режим насыщения, в котором оба перехода включены в прямом направлении.

Рис. 9.9

Рис. 9.10

В схемах, в которых транзистор применяется для усиления сигналов, основным является его активный режим работы. При подключении положительного полюса источника постоянной ЭДС Е_Э = — U_ЭБ к базе потенциальный барьер p-n-перехода (п-р-п- транзистор на рис. 9.8) между базой и эмиттером понижается. Свободные электроны диффундируют (инжектируются) из эмиттера в базу, образуя ток 1_Э в цепи эмиттера. Если между коллектором и базой включен источник постоянной ЭДС Е_К = U_КБ отрицательным полюсом к базе, то увеличивается потенциальный барьер р-п- перехода между базой и коллектором. Большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, втягивается сильным электрическим полем с напряженностью Е_КБ этого p-n-перехода, образуя ток I_К в цепи коллектора. Заметим, что электрическое поле в переходе коллектор — база существует и при разомкнутой ветви с источником ЭДС Е_К (см. рис. 9.4). Поэтому ток коллектора от значения напряжения U_КБ 0 зависит мало. Незначительная часть свободных электронов, инжектированных из эмиттера в базу, образует ток I_Б в цепи базы.

В рассмотренном случае база является общим электродом входной и выходной цепей. Такая схема включения биполярного транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Для усиления сигнала применяются также схемы включения биполярных транзисторов с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Последнюю рассмотрим более подробно, так как она наиболее распространена (рис. 9.10).

Рис. 9.11

Работу биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, определяют статическими коллекторными (рис. 9.11, а) и базовыми (рис. 9.11, б) характеристиками. Область рабочих режимов транзистора на его коллекторных характеристиках ограничена максимально допустимыми значениями тока 1_Ктах, напряжения U_KЭmax и мощности рассеяния P_pac.max U_KЭI_K, а также нелинейными искажениями при малых значениях тока коллектора.

Рассматривая транзистор с ОЭ как нелинейный трехполюсник, включенный в цепь на рис. 5.15, опишем аналогично (5.5) его работу в режиме малого сигнала системой линейных уравнений:

(9.4,а)

(9.4,б)

где

(9.5)

— параметры биполярного транзистора, которые можно рассчитать по заданным статическим характеристикам. Их типовые значения находятся в пределах

h₁₁ = 10³-10⁴ Ом; h₁₂ = 2•10^-4-2•10^-3;

h₂₁ = 20-200; h₂₂ = 10^-5 —10^-6 См. (9.6)

Пренебрегая значением параметра h₁₂, получаем аналогично

рис. 5.16 схему замещения биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис. 9.12), в режиме малых сигналов, где h₁₁ = R_вх и 1/h₂₂ = R_вых ^— входное и выходное сопротивления, h₂₁i_Б — источник тока, управляемый током базы i_Б. Последнее обстоятельство позволяет считать, что биполярный транзистор представляет собой прибор, управляемый током.

Рис. 9.12

Основное достоинство биполярных транзисторов — высокое быстро­действие при достаточно больших токах коллектора. Наличие внешних теплоотводов позволяет работать биполярным транзисторам при мощности рассеяния до 50 Вт и токах до 10 А.

Основной недостаток — относительно небольшие сопротивление входной цепи биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (1 —10 кОм), и плотность размещения при производстве интегральных микросхем.