4 Биполярные транзисторы

В зависимости от принципа действия и конструктивных особенностей транзисторы разделяют на два класса: биполярные и полевые. Термин «транзистор» образован от слов «transfer» – преобразователь и «resistor» – сопротивление, т.к. изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами проводимости. Основное предназначение биполярного транзистора – преобразование энергии источника питания постоянного тока в энергию электрических колебаний разнообразной формы. Наиболее часто транзисторы используются для усиления электрического сигнала по мощности.

Биполярные транзисторы классифицируются по следующим признакам:

• по материалу: германиевые и кремниевые;

• по виду проводимости областей: типа р-n-р и n-p-n;

• по мощности: малой (Р_mах  0,3 Вт), средней (Р_mах  1,5 Вт) и большой мощности (Р_mах  1,5 Вт);

• по частоте: низкочастотные (НЧ), среднечастотные (СЧ), высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ).

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, отсюда их название – биполярные.

1. Устройство и принцип действия

Биполярный транзистор представляет собой пластину германия или кремния, в которой созданы три области с различной электропроводностью. У транзистора типа n-р-n средняя область имеет дырочную (р), а крайние области – электронную электропроводность (n). Транзистор типа р-n-р имеет среднюю область с электронной, а крайние области с дырочной электропроводностью.

Структурные схемы биполярных транзисторов разных типов проводимости и соответствующие им условные обозначения показаны на рис. 4.1.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два р-n перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором.

Эмиттером называется область транзистора, предназначенная для инжекции носителей заряда в базу.

Базой является область, в которую эмиттер инжектирует неосновные для этой области носители заряда.

Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы.

От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).

Рассмотрим работу транзистора n-р-n типа в активном режиме, включенного по схеме с общей базой (рис. 4.2). Внешние напряжения двух источников питания Е_бэ и Е_кб в этом режиме подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении (прямое напряжение), а коллекторного перехода П2 – в обратном направлении (обратное напряжение). Причем |Е_кб| > |Е_бэ|.

Поскольку p-n переход П1 смещен в прямом направлении, через область эмиттера начинает протекать ток эмиттера I_э. Происходит инжекция (впрыскивание) электронов через переход П1 в базу, в которой электроны являются неосновными носителями заряда и перемещаются в ней за счет диффузии.

Т.к. толщина базы невелика, то только малая часть электронов успевает рекомбинировать с дыркам, а бóльшая часть электронов дойдет до коллекторного перехода П2. Рекомбинация электронов в базе вызывает соответствующий ток во внешней для базы цепи – ток базы I_б.

Вошедшие в область коллекторного перехода П2 электроны попадают в сильное ускоряющее поле, созданное напряжением Е_кб, и втягиваются в область коллектора (экстракция), создавая во внешней цепи транзистора коллекторный ток I_к.

Таким образом, в транзисторе протекает три тока – ток эмиттера, коллектора и базы, между которыми существует соотношение

Iк = Iэ – Iб.

(4.1)

В реальном транзисторе через коллекторный р-n переход протекает небольшой обратный ток I_кбо (единицы микроампер), созданный неосновными носителями зарядов базы и коллектора. Обратный ток протекает по цепи: −Е_кб, база-коллектор, +Е_кб.

Направление тока во внешней цепи (рис. 4.2) отличается от направления потока электронов внутри транзистора, т.к. принято считать, что ток протекает от бóльшего потенциала к меньшему, т.е. от «+» к «−».

Физические процессы в транзисторе типа р-n-р протекают аналогично процессам в транзисторе типа n-р-n.

Для схемы включения транзистора с ОБ ток эмиттера I_э является входным током, а ток коллектора I_к – выходным. Как видно из (4.1) ток коллектора является частью тока эмиттера. Их отношение представляет собой долю носителей зарядов инжектированных в базу, которая достигла коллектора и называется коэффициентом передачи тока

.

(4.2)

Поскольку выходной ток меньше входного, то   1 (обычно  = 0,99…0,997). Альтернативное обозначение коэффициента передачи тока – h_21б.

В схеме с ОЭ выходным током является ток коллектора, а входным – ток базы. Их отношение определяет коэффициент усиления по току:

,

(4.3)

но .

Таким образом

.

(4.4)

Т.к.   1, то коэффициент усиления по току обычно  = 50…300. В справочной литературе коэффициент передачи тока обозначают h_21э.

Выходной ток транзистора зависит от входного тока. Поэтому биполярный транзистор – полупроводниковый прибор, управляемый током.

Изменения тока эмиттера, вызванные изменением напряжения эмиттерного перехода, полностью передаются в коллекторную цепь, вызывая изменение тока коллектора. А т.к. напряжение источника коллекторного питания Е_кб значительно больше, чем эмиттерного Е_бэ, то и мощность, потребляемая в цепи коллектора Р_к, будет значительно больше мощности в цепи эмиттера Р_э. Таким образом, обеспечивается возможность управления большой мощностью в коллекторной цепи транзистора за счет малой мощности, затрачиваемой в эмиттерной цепи, т.е. имеет место усиление мощности.