Шпоры / Шпоры(МП-23_edition) / 24

24. Биполярные транзисторы

Транзистор — усилительный полупроводниковый при­бор. При всем многообразии типов и выполняемых функ­ций транзисторы прежде всего являются усилительными приборами с различными принципами усиления сигналов электромагнитной природы. Усилительными называются приборы, способные усиливать электрическую мощность.

Приборы, усиливающие только ток или напряжение, к числу усилительных не относятся. На­пример, трансформатор усили­вает ток за счет напряжения или напряжение за счет тока, но не усиливает мощность, поэтому он не является усилительным при­бором.

Принцип работы усилитель­ного прибора основан на изме­нении его активного или реактивного сопротив­ления под воздействием сигнала малой мощности.

В общем случае простейший усилитель состоит из усилитель­ного прибора с изменяемым соп­ротивлением R_п, источника сигнала мощностью Р_с — Р_вх, нагрузки с сопротивлением R_н и источника питания (рис. 3.16).

Мощность, выделяемая в нагрузке, поступает в нее от источника питания. Усилительный прибор за счет измене­ния своего сопротивления под воздействием слабого сигнала усиливает (изменяет) значение мощности, поступающей от источника питания в нагрузку. При этом должно соблю­даться условие Р_вых > Р_вх.

При создании усилительных приборов в качестве сигна­лов, изменяющих сопротивление, могут использоваться различные физические процессы: инжекция или экстрак­ция носителей заряда, изменение приложенного потенциала либо напряженности поля, фотоэффект, пьезоэффект и др.

Принцип работы. Принцип работы биполярного тран­зистора основан на изменении сопротивления обратносмещенного р-п-перехода за счет инжекции носителей заряда. Сопротивление обратносмещенного р-n-перехода очень велико — несколько мегаом и более. Необходимо отметить одно очень важное обстоятельство. Обратносмещенный р-п-переход (рис. 3.17, а) о к а з ы в а е т большое сопротивление только пото­кам основных носителей заряда, неос­новные же носители проходят его, «скатываются с потенци­ального барьера», практически не встречая сопротивления (рис. 3.17, б).

Поэтому при достаточно высоком уровне инжекции можно значительно увеличить ток в обратно-смещенном р-п-переходе и тем самым снизить его сопротив­ление. Инжекция может осуществляться: из различ­ных источников, за счет различных процессов токопрохождения и по различным схемам. Источниками инжектиро­ванных носителей заряда могут быть: плоский р-п-переход, точечный контакт, гетеропереход, инверсный слой,. потен­циальный барьер и др. Процессами токопрохождения при инжекции могут быть: диффузия, дрейф, туннелирование, эмиссия Шотки и др.

Таким образом, принцип усиления, основанный на сни­жении сопротивления обратносмещенного р-п-перехода, мо­жет быть реализован в результате различных возможных со­четаний инжектирующего источника, процесса токопрохождения и схемы инжекции. Наиболее эффективным такое сочетание оказалось в биполярном транзисторе, у которого инжекция реализована по схеме рис. 3.18 из плоского р-п-перехода при диффузионно-дрейфовом токопрохождении.

На рис. 3.19, а, б приведены модель и энергетическая диаграмма биполярного n⁺-р-n-транзистора. При рассмотре­нии биполярных транзисторов всегда будем иметь в виду транзистор типа п⁺-р-п. При нормальном вклю­чении транзистора эмиттерный переход смещается в прямом направлении, коллекторный — в обратном. Прямосмещенный эмиттерный переход имеет небольшое сопротивление — несколько Oм. Коллекторный переход, при отсутствии инжекции из эмиттера, имеет очень большое со­противление — несколько мегаом. Поэтому в цепь коллек­тора можно включать нагрузку с большим сопротивлением, практически не изменяя значения коллекторного тока.

Биполярные транзисторы изготовляют так, чтобы кон­центрация электронов в эмиттере значительно превышала концентрацию дырок в базе. В этом случае малым потоком дырок, инжектируемых из базы в эмиттер, можно пренеб­речь и считать, что при прямом смещении весь ток эмитте­ра определяется потоком инжектированных электронов: рис. 3.19,а.

Для уменьшения потерь на рекомбинацию инжектированных в базу электронов эмиттерный и коллекторный переходы располагают на расстоянии, меньшем диффузионной длины W_б<<L_n. При прямом смещении эмиттерного перехода поток инжектированных в базу электронов практически без потерь на рекомбинацию (база тонкая и концентрация дырок в ней невелика) доходит до коллектора (рис. 3.19, а), поэтому J_nэ=J_nк или I_э=I_к, В результате ток коллектора повы­шается от очень малого значения обратного тока I_ко до I_к=I_э. Таким образом, в обратносмещенном кол­лекторном переходе значение тока становится таким же, как и в прямосмещенном эмиттерном переходе. Если ток коллектора возрастает при неизменном напряжении источника питания (U_{п к}, то физически это означает, что сопротивление коллекторного перехода сни­зилось и стало такого же порядка, как и сопротивление эмиттерного перехода. Следовательно, в результате инжек­ции из эмиттера происходит преобразование сопротивления коллектора.

Сопротивление коллекторного перехода снижается про­порционально возрастанию тока инжекции. В результате инжекции ток коллектора может возрасти на 4—5 порядков, а сопротивление коллектора соответственно на 4—5 поряд­ков снизиться.

Сопротивление нагрузки R_н остается прежним, порядка 1 МОм. Поскольку сопротивление коллектора становится значительно меньше сопротивления нагрузки, падением на­пряжения на коллекторе можно пренебречь и считать, что все напряжение источника питания _Uи.п._к сосредоточено на нагрузке: . Падение напряжения на эмиттере будет равно: U_эб=U_вх=I_эR_э. Так как сопротивление нагрузки R_н значи­тельно больше сопротивления R_э прямосмещенного эмиттер­ного перехода, то при одинаковых токах U_вых >> U_вх. Выделяемая в нагрузке мощность Р_вых=U_выхI_э, а мощ­ность, затрачиваемая в эмиттерной цепи, Р_вх =U_вхI_э. Так как U_вых >>U_ВХ, то Р_вых > Р_вх.

Следовательно, биполярный транзистор является усили­тельным прибором, так как он способен усиливать мощность.

Схемы включения и режимы работы. Транзисторы вклю­чают по схемам: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 3.21, а — в). У всех трех схем включения ко­эффициент усиления по мощности Кр > 1

Схема ОБ характеризуется по сравнению со схемами ОЭ и ОК самым низким входным и самым высоким выходным сопротивлениями. В схеме ОБ коэффициент усиления по току К₁=I_вых/I_вх<1, коэффициент усиления по на­пряжению Ки =U_вых/U_вх> 1. Схема ОЭ характеризуется относительно высокими входным и выходным сопротив­лениями, К₁> 1. Ки > 1, а схема ОК самым высоким входным и самым низким выходным сопротивлениями К₁>1, K_U<1.

Схема ОБ обладает хорошими частотными характеристи­ками и позволяет наглядно раскрыть физику транзистора, но тот факт, что она не обеспечивает усиления по току и имеет малое входное сопротивление, делает ее неоптималь­ной для большинства применений. Поэтому наибольшее ис­пользование в транзисторной технике находит схема ОЭ.

Существует четыре режима работы биполярных транзис­торов: нормальный активный, двойной инжекции (насыщения), отсечки и инверсныи активный.

В нормальном активном режиме эмиттерный переход включен в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях. В режиме двойной инжекции (насыщения) эмиттерный и коллекторный переходы включены в прямом направлении. В режиме отсечки эмиттерный и кол­лекторный переходы включены в обратном направле­нии. В инверсном активном режиме коллекторный пере­ход включен впрямом, а эмиттерный — в обратном направлениях.

В нормальном активном и инверсном активном режимах транзистор работает как усилительный прибор и принципи­ального различия между этими двумя режимами нет. В ин­версном режиме слаболегированный коллектор не обеспечи­вает достаточно высокого коэффициента инжекции, в резуль­тате чего резко снижается усиление.