Биполярные транзисторы

Транзнсторы являются важнейшими полупроводниковыми цриборами. Их основная особенность заключается в усилении слабых электрических сигналов, при этом, разумеется, энергия передается от источника питния. Поэтому они используются везде, rде нeoходнмо усиление сиrналов, например, в радиоприемниках, телевнзорах, маrни- тофонах, электронной аппаратуре, автоматических устройствах и т. д.

Все транзисторы могут быть разделены на две большие группы: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы имеют большее распространение, и мы рассмотрим, в основном, их свойства.

Биполярные транзисторы можно клас­сифицировать следующим образом.

1.В зависимости от используемого полупроводника они бывают кремние­вые и германиевые.

2.В зависимости от технологии производства они бывают эпитак­сиально-планарные, сплавные, меза-транзисторы, конверсионные и пр.

3.В зависимости от механизма движения носителей зарядов бывают диффузионные и дрейфовые.

4.В зависимости от мощности бывают маломощные (до 0,3 Вт), сред­ней мощности (от 0,3 до 3 Вт) и мощные (более 3 Вт).

5.В зависимости от граничной час­тоты бывают низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (выше 300 МГц).

Как показано на рис. 18.1, основную часть транзистора представляет маленький кристаллик, называемый базой (Б), на котором сделаны две спайки, называемые эмиттер (Э) и коллектор (К). При образовании этих спаек между эмиттером и базой и между коллектором и базой образуются два p-n перехода. Это получается, когда проводимость эмиттера и коллектора избирается противоположной проводимости базы. Важно отметить, что оба перехода находятся очень близко друг к другу, т.е. база очень тонкая, примерно 1 – 20 мкм.

Рис. 18.1

В зависимости от проводимости эмиттера, базы и коллектора производится два типа транзисторов: n-p-n и p-n-p. Это показано на рис.18.2 вместе с их схемными обозначениями. Эти оба основных типа транзисторов имеют один и тот же принцип действия и одинаковые усилительные свойства. Однако они отличаются полярностью цепей питания.

Поскольку каждый p-n переход, в сущности, представляет собой диод, на верхнем рисунке транзистор представ­лен как совокупность двух диодов. И действительно, цепи база-эмиттер н ба­за-коллектор, взятые отдельно, имеют одностороннюю проводимость. Одна­ко, если мы возьмем два диода и сое­диним их так, как показано на нижнем рис. 18.2, то усилительного прибора не получим. Разница в том, что в транзис­торах оба перехода расположены очень близко друг к другу и между ними имеется взаимодействие. Это взаимо­действие называется еще транзистор­ным эффектом, и ему обязаны усили­тельными свойствами биполярные транзисторы.

Для предохранения от внешних влияний транзистор герметически за­крыт в металлическом или пластмассо­вом корпусе.

Рис.18.2

Как усиливает биполярный транзистор

Чтобы понять, как усиливает транзистор, рассмотрим рис. 18.3 а, где показана цепь, содержащая микрофон, батарею и громкоговоритель. Если на микрофон не подается звук, то в цепи будет протекать только постоянный ток, и громкоговоритель молчит (участок A). Если на микрофон подается звук, то ток в цепи будет содержать не только постоянную, но и переменную составляющую (участок Б), и в громкоговорителе услышим слабый звук.

Рис. 18. 3

Используя транзистор, мы можем усилить этот звук, Это показано на рис. 18.3б, где использованы две бата­реи питания. Если проделаем соот­ветствующие измерения, то увидим, что ток и напряжение на выходе тран­зистора значительно больше тока и на­пряжения на входе.

Важнейшей особенностью каждого усилительного элемента является зна­чительное увеличение мощности на выходе (на нагрузке) по сравнению с мощностью, поданной на вход. И по­скольку мощность — это произведение тока на напряжение (см. гл. 4), воз­можны следующие варианты усилите­лей:

1.Схема усиливает по напряжению и по току. В транзисторных усилителях этот случай наиболее желателен.

2. Схема усиливает только по напряжению, а ток на выходе почти один и тот же.

3. Схема усиливает только по току, а напряжение на выходе почти одно и то же.

Рис.18.4.

Биполярный транзистор проявляет усилительные свойства в трех видах схем. которые отличаются способом включения транзисюра: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (OK).

Качества любого усилителя зависят не только от того, во сколько раз он усиливает, но и от его входного и выходного сопротивления. В некото­рых случаях эти сопротивления даже важнее коэффициента усиления. Поэтому на практике используют все три ос­новные схемы включения транзистора, так каждая из них имеет свои преимущества и недостатки.

В схеме с ОЭ входной сигнал дейст­вует между базой и эмиттером, а нагрузка включена между коллектором и эмиттером (рис. 18.4). Эта схема усиливает и по напряжению и по току и поэтому на практике используется наиболее часто. Ее входное и выходное сопротивления не очень велики.

В схеме с ОБ входной сигнал дейст­вует между эмиттером и базой, а нагрузка включена между коллектором и базой (рис. 18.4). Эта схема усиливает только по напряжению и имеет малое входное сопротивление и большое выходное.

В схеме с ОК (ее называют еще эмиттерный повторитель) входной сигнал поступает на управляющий переход эмиттер-база, проходя через нагрузку, а сама нагрузка включена между эмиттером и коллектором (рис. 18.4). Это схема усиления по току. Ее входное сопротивление велико, а выходное мало.

Следует обратить внимание на одно важное обстоятельство: независимо от схемы включения (с ОЭ, ОБ, ОК) уп­равляющий переход в транзисторе – эмиттерный, а управляемая цепь, сопро­тивление которой изменяется, – эмит­тер-коллектор (на рис. 18.5 эта цепь изображена толстой линией).

Рис. 18.5.

При этом по­лярность источников питания такова, что эмиттерный переход включен всег­да в прямом направлении, а коллектор­ный – в обратном. Поэтому во всех схемах (с ОЭ, ОБ, ОК) напряжения, ко­торые действуют на управляющем участке, малы – например 0,1-0,4 В в германиевых и 0,4 - 0,8 В в кремние­вых транзисторах (рис. 18.6), в то вре­мя как напряжения коллектор-эмит­тер могут быть довольно значи­тельными – порядка 6-24 В.

Рис. 18.6.

Другая важная особенность транзистора – базовый ток намного меньше эмиттерного и коллекторного токов (последние два практически одинаковы).

Таким образом, основное свойство транзистора можно сформу­лировать так: малый базовый ток уп­равляет намного большим коллектор­ным током. Эта особенность показана на рис. 18.7, где видна аналогия между транзистором и водно-механическим устройством. И действительно, тонкая струя воды в трубе Б управляет толстой струей воды посредством труб К и Э. При этом струя Э равна сумме струй Б и К.

Рис. 18.7.

В импульсной технике транзистор чаще всего используется в качестве ключа. В этом случае он или заперт (сопротивление коллектор-эмиттер большое) или открыт (сопротивление коллектор-эмиттер мало). Это запира­ние и открывание достигается путем соответствующего запирания или про­пускания базового тока. Подобный же опыт, который можно легко проде­лать, показан на рис. 18.8. В первом случае базовый и коллекторный ток равны нулю, а во втором случае 1_Б = 2-3 мА, а I_К = 200 мА. Следова­тельно, и здесь посредством небольшо­го базового тока можно управлять до­вольно большим током в цепи коллек­тора.