2.1 Будова та принцип дії біполярних транзисторів

Основним елементом біполярного транзистора є кристал напівпровідника (германію чи кремнію), у якому створено три області з різною провідністю. Дві крайні області завжди мають провідність однакового типу, що є протилежною провідності в середній області. Схематична будова площинного біполярного транзистора наведена на рис. 2.1.

а – транзистор типу n-p-n,

б – транзистор типу p-n-p

Рисунок 2.1 – Схематичне зображення біполярного транзистора

Середня область напівпровідника з найменшою площею p-n-переходу називається “базою”. Область, що має найбільшу площу напівпровідника називається “колектором”, а область з меншою за колектор площею називається “емітером”.

Основною особливістю будови біполярного транзистора є нерівномірність концентрації основних носіїв заряду у емітері, базі та колекторі. У емітері концентрація носіїв є максимальною, у колекторі – дещо меншою, а у базі – набагато меншою, ніж у емітері та колекторі (рис. 2.2) [5].

З рис. 2.1 видно, що у біполярному транзисторі існує два p-n-переходи: емітер ний (між емітером та базою) і колекторний (між базою і колектором). Існує два типи біполярних транзисторів: n-p-n (рис. 2.1,а) та p-n-p (рис. 2.1,б).

Рисунок 2.2 – Концентрація основних носіїв заряду в областях біполярного транзистора

Робота транзисторів типу n-p-n заснована на наступних правилах (для транзисторів типу p-n-p правила зберігаються, але полярності напруг необхідно змінити на протилежні):

- колектор має більш позитивний потенціал, ніж емітер;

- колекторний та емітерний переходи транзистора працюють як діоди (рис. 2.3)

Рисунок 2.3 – Включення p-n-переходів транзисторів різних типів

Як правило, діод база-емітер відкритий, а діод база-колектор зміщений у зворотному напрямку (рис. 2.3,а);

1. кожен транзистор характеризується максимальними значеннями струмів I_б, I_к та напруги U_ке, а також інших параметрів (P, U_ке, температури p-n-переходу і т.ін.). При перевищенні максимальних значень основних параметрів транзистора необхідно вибрати інший транзистор;

2. якщо виконані перші три правила, то струм транзистора I_к буде пропорційним струму бази I_б, який знаходиться з відношення:

I_к=h_21е·I_б=β·I_б, (2.1)

де h_21е – коефіцієнт підсилення за струмом (який також позначається як β).

Правило 1 визначає основну властивість біполярного транзистора: незначний струм бази керує значним струмом колектора.

З правила 2 слідує, що напругу між базою та емітером не можна збільшувати до безмежності, бо коли потенціал бази перевищуватиме потенціал емітера більше, ніж на 0,6 - 0,8 В (пряме падіння напруги на діоді), то виникне дуже значний струм (див. ВАХ діода). Отже, у ввімкненому у схему транзисторі напруга на базі та емітері пов’язані наступними співвідношеннями:

U_б≈U_е+0,6В

U_б=U_е+U_бе (2.2)

Принцип дії біполярних транзисторів

При роботі транзистора як підсилювача емітерний перехід відкритий, а колекторний – закритий. Це досягається відповідним ввімкненням джерел живлення (рис. 2.4). Оскільки емітерний перехід відкритий, то через нього протікатиме струм емітера Iе, який викликаний переходом електронів з емітера у базу і переходом дірок з бази у емітер. Отже, струм емітера матиме дві складові – електронну та діркову.

У базі електрони рекомбінують, а їх концентрація у базі поповнюється від “+” джерела живлення E_е. За рахунок цього у базі протікає дуже малий струм. Електрони, що залишились і не встигли рекомбінуватиу базі, під пришвидшуючою дією поля закритого колекторного переходу як неосновні носії будуть переходити у колектор, створюючи струм колектора. Дірки з колектора як неосновні носії заряду будуть переходити у базу, створюючи зворотній струм колектора.

Рисунок 2.4 – Робота біполярного транзистора як підсилювача сигналу

У залежності від полярності напруг, які прикладені до емітерног і колекторного переходів транзистора розрізняють 4 режими його роботи.

Активний режим. На емітер ний перехід подається пряма напруга, а на колекторний – зворотня. Внаслідок того, що напруга в ланці колектора значно перевищує напругу, що прикладена до емітерного переходу, а струми у областях колектора та емітера майже однакові, потужність корисного сигналу на виході схеми (у колекторній ланці) буде набагато більшою за потужність сигналу на вході транзистора (у емітер ній ланці). Цей режим є основним режимом роботи транзистора.

Режим відсікання. До обох переходів, у цьому випадку, підводяться зворотні напруги. Тому через них проходитиме лиш незначний струм , що зумовлений рухом неосновних носіїв зарядів. Практично ж транзистор у режимі відсікання буде закритим.

Режим насичення. На обидва переходи подається пряма напруга. Струм у вихідній ланці транзистора буде максимальним і таким, що практично не керується вхідним струмом. У цьому режимі транзистор буде повністю відкритим.

Інверсний режим. До емітерного переходу підводиться зворотня напруга, а до колекторного – пряма. Емітер і колектор міняють свої функції на протилежні – емітер виконує функції колектора і навпаки. Цей режим, як правило, не відповідає нормальним умовам експлуатації транзистора.

Оскільки біполярний транзистор має три виводи, то для визначення основних параметрів він представляється у виді чотириполюсника (рис. 2.5), де I₁, U₁ – вхідні, а I₂, U₂ – вихідні величини [4].