Биполярные транзисторы

Структура биполярного транзистора

Биполярный транзистор n-p-n-структуры и его условное обозначение показаны на рис 7.1.

Транзистор состоит из трех чередующихся слоев полупроводника различного типа. Первый слой (для n-p-n-транзистора это n-слой) называется эмиттером. Эмиттер отличается тем, что в нем наибольшая концентрация свободных носителей зарядов – в данном случае электронов. Далее следует p-слой, называемый базой. База имеет небольшие размеры и на порядки меньшее количество основных носителей – дырок. Последний слой получил название коллектора. Коллектор имеет наибольшие размеры. Таким образом, биполярный транзистор обладает несимметричной структурой. Это связано с тем, что в усилительном режиме эмиттер является источником зарядов, а коллектор собирает заряды. Поэтому концентрация носителей в эмиттере высока а коллектор как выходной контакт имеет наибольшие размеры для обеспечения большой мощности выходного сигнала. База используется для управления потоком носителей через транзистор. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом, а между коллектором и базой – коллекторным переходом.

Рис. 7.1 Биполярный транзистор n-p-n-структуры

В зависимости от приложенных к контактам транзистора напряжений различают четыре режима работы биполярного транзистора: активный, насыщения, отсечки, инверсный.

Активный режим работы биполярного транзистора

Рис. 7.2 Активный режим работы транзистора n-p-n-структуры

Биполярный транзистор n-p-n-структуры в активном режиме показан на рис. 7.2.

В активном режиме эмиттерный переход должен быть открыт, а коллекторный закрыт. В связи с этим на эмиттерный переход напряжение подается «-» к n-слою, а «+» к p-слою. Коллекторный переход закрыт, поэтому напряжение подается «-» к p-слою, а «+» к n-слою. При этом соблюдается неравенство между напряжениями . Направление тока эмиттера и коллектора определяется по правилу от «+» к «-». Ток базы направлен в p-слой, так как направление тока встречно движению электронов.

Так как эмиттерный переход открыт, то электроны, как основные носители зарядов, проходят из эмиттера в базу. В базе они являются неосновными носителями, поэтому проходят через закрытый коллекторный переход, создавая выходной ток коллектора . Часть электронов в базе взаимоуничтожаются (рекомбинируют) с дырками, обуславливая ток базы. Именно для уменьшения тока базу делают как можно меньшей и с небольшим количеством основных носителей.

Количество электронов которые достигают коллектора характеризуется коэффициентом передачи эмиттерного тока . Этот коэффициент показывает какая часть электронов проходит из эмиттера в коллектор. Обычно и он не может быть больше единицы. Часто вместо используется коэффициент передачи тока базы , который показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы.

Режим насыщения биполярного транзистора

Рис. 7.3 Режим насыщения транзистора n-p-n-структуры

Режим насыщения n-p-n транзистора показан на рис. 7.3.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный переход открыты. В связи с этим на эмиттерный переход напряжение подается «-» к n-слою, а «+» к p-слою. Коллекторный переход также открыт, поэтому напряжение подается «-» к n-слою, а «+» к p-слою. При этом соблюдается неравенство между напряжениями . Направление тока эмиттера и коллектора определяется по известному правилу от «+» к «-». Ток базы направлен в p-слой, так как направление тока встречно движению электронов.

Так как эмиттерный переход открыт, то электроны, как основные носители зарядов, проходят из эмиттера в базу. В базе они являются несновными носителями, поэтому не могут пройти далее через открытый коллекторный переход. Электроны из коллектора через открытый переход также проходят в базу. В базе электроны и остаются. Так как дырок в базе относительно немного, то большое количество электронов не успевает рекомбинироавть с дырками и электроны накапливаются в базе. Говорят, что база насыщается свободными носителями. В режиме насыщения ток базы максимален, а ток коллектора небольшой.

Режим отсечки биполярного транзистора

Рис. 7.4 Режим отсечки транзистора n-p-n-структуры

Режим отсечки транзистора n-p-n-структуры показан на рис. 7.4.

В режиме отсечки эмиттерный и коллекторный переходы закрыты. В связи с этим на n-слои транзистора подается «+», а на p-слой подается «-». При этом выполняются неравенства . Так как оба перехода закрыты, то основные носители зарядов не перемещаются. Через переходы текут небольшие токи, обусловленные неосновными носителями.

Инверсный режим биполярного транзистора

Рис. 7.5 Инверсный режим транзистора n-p-n-структуры

Инверсный режим биполярного транзистора n-p-n-структуры показан на рис. 7.5. Инверсный режим симметричен активному. В этом режиме эмиттерный переход закрыт, а коллекторный открыт. Для этого напряжение подается «-» к n-слою, а «+» к p-слою, а напряжение подается «+» к n-слою, а «-» к p-слою. Направления токов эмиттера и коллектора определяется по известному правилу «от плюса к минусу». Ток базы направлен в p-слой, навстречу движению электронов.

Электроны как основные носители проходят через открытый коллекторный переход в базу. Там они становятся неосновными носителями, поэтому проходят далее в эмиттер через закрытый переход. Часть электронов в базе рекомбинирует с дырками, создавая ток базы.

Инверсный режим используется редко, так он аналогичен активному режиму. Однако из-за несимметричности структуры биполярного транзистора его характеристики хуже, чем в активном режиме.

Схема с общей базой

Свойства транзистора сильно зависят от того каким образом он включен с точки зрения входного и выходного напряжений. Различают три схемы включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Схема с ОБ показана на рис. 7.6.

Рис. 7.6 Схема с общей базой	Рис. 7.7 Схема с общим эмиттером

В схеме с общей базой входное напряжение прикладывается к эмиттеру, а выходное снимается с коллектора. База является общим контактом, относительно которого измеряются входное и выходное напряжения. В общем случае заземление в базе может отсутствовать. При уменьшении входного напряжения напряжение на эмиттере (n-слой) уменьшается, поэтому эмиттерный переход открывается сильнее и ток коллектора увеличивается. Аналогично, при увеличении входного напряжения напряжение на эмиттере возрастает, значит эмиттерный переход закрывается сильнее и ток коллектора увеличивается. Таким образом, в схеме с общей базой увеличение входного напряжения приводит к уменьшению выходного тока, а уменьшение входного напряжения – к увеличению выходного тока.

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером показана на рис. 7.7. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) входное напряжение подается в базу, а выходное снимается с коллектора. Эмиттер является общим контактом, относительно которого задаются входное и выходное напряжения. При уменьшении входного напряжения потенциал в базе (p-слой) уменьшается, поэтому эмиттерный переход закрывается и ток коллектора уменьшается. При увеличении входного напряжения потенциал в базе возрастает, следовательно эмиттерный переход открывается сильнее и ток коллектора возрастает. Таким образом, в схеме с общим эмиттером увеличение входного напряжения приводит к увеличению выходного тока, а уменьшение входного напряжения – к уменьшению выходного тока.

Схема с общим коллектором

Рис. 7.8 Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором показана на рис. 7.8. В схеме с общим коллектором (ОК) входное напряжение подается в базу, а выходное снимается с эмиттера. Коллектор является общим контактом, относительно которого отсчитываются потенциалы. При повышении напряжения в базе потенциал на p-слое n-p-n-транзистора увеличивается, поэтому эмиттерный переход открывается сильнее. На коллекторе обычно сформировано некоторое напряжение, которое не дает открыться коллекторному переходу. Следовательно транзистор находится в активном режиме и ток коллектора , а значит и ток эмиттера , увеличиваются. Соответственно при уменьшении входного напряжения, потенциал базы уменьшается, эмиттерный переход закрывается сильнее и токи коллектора и эмиттера уменьшаются.

ВАХ биполярного транзистора

Биполярный транзистор характеризуется двумя ВАХ, вид которых зависит от схемы включения и типа транзистора – n-p-n или p-n-p-структуры. ВАХ биполярного транзистора n-p-n-структуры в схеме с ОЭ показаны на рис. 7.9. Первое слева семейство характеристик называется выходными ВАХ, а второе семейство – входными характеристиками. Из выходных ВАХ видно, что ток коллектора увеличивается при увеличении тока базы . При увеличении напряжения ток коллектора сначала растет, а затем становится постоянным. На выходных ВАХ можно выделить пять областей. Область, для которой ток соответствует режиму отсечки. Область, в которой напряжение определяет режим насыщения. Область принадлежит режиму электрического пробоя p-n-перехода. При больших токах и напряжениях мощность электрического сигнала может превысить допустимую. В этом случае при наступает тепловой пробой, p-n-переходы транзистора разрушаются. Оставшаяся область, ограниченная указанными выше режимами, соответствует активному режиму и обычно является рабочей областью транзистора в усилительном режиме. Также, в ключевых схемах транзистор может работать в режиме насыщения и отсечки.

Рис. 7.9 ВАХ транзистора с ОЭ

Эквивалентная схема биполярного транзистора

Рис. 7.10 Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме ОЭ

Эквивалентная схема биполярного транзистора зависит от схемы включения. На рис. 7.10 приведена эквивалентная схема для транзистора с ОЭ. В данной схеме сопротивление – дифференциальное сопротивление открытого p-n-перехода, приблизительно равное . Сопротивление базы лежит в пределах от десятых долей до нескольких сотен Ом в зависимости от мощности транзистора. Чем больше мощность, тем меньше сопротивление базы. Емкость коллекторного перехода в активном режиме равна барьерной емкости. Сопротивление моделирует дифференциальное сопротивление закрытого коллекторного перехода и составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кОм. Генератор тока определяет ток коллектора, зависящий от тока базы. Строго говоря, ток коллектора на несколько процентов отличается от тока эмиттера, однако для простоты указанные токи взяты равными.