12.Биполярные транзисторы, структура кристалла, принцип работы, коэффициент передачи тока, входное дифференциальное сопротивление.

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, в котором чередуются три области с различными типами проводимости. На рисунке 4.9 схематично показан разрез кристалла биполярного транзистора.

В зависимости от того, в какой последовательности чередуются области с электронной и дырочной проводимостью, различают n-p-n и p-n-p транзисторы. Крайние области транзистора имеют одинаковый тип проводимости, одна из них называется эмиттером, другая коллектором. Эмиттерная область имеет большую концентрацию примеси и, следовательно, свободных носителей, чем коллекторная. Средняя область обладает проводимостью, противоположной проводимости коллектора и эмиттера. Она называется базой транзистора. Базовая область делается очень тонкой и имеет низкую концентрацию примеси.

На рисунке 4.10 показана упрощенная типичная схема включения n-p-n транзистора. Источник питания с напряжением U₃. подключается между эмиттером и коллектором транзистора, причем положительная клемма источника подключается к коллектору. При этом базо-коллекторный p-n переход оказывается включенным в непроводящем направлении, а базо-эмиттерный - в проводящем.

П оскольку n-p переходы по отношению к источнику питания включены последовательно и при данной полярности U_пит проводимость эмиттерного перехода велика, а коллекторного - мала, ток в цепи источника питания - I_к определяется проводимостью коллекторного перехода. Последняя зависит от концентрации неосновных носителей в областях коллектора и базы. Неосновные носители базы - электроны могут быть доставлены в нее из эмиттера полем источника управляющего напряжения (U_упр), что и определяет возможность регулирования проводимости коллекторного перехода с помощью электрического сигнала.

Если полярность U_упр, приложенного к эмиттерному переходу, соответствует прохождению через него тока, то из эмиттера в базу будет идти поток электронов. Так как база очень тонкая, этот поток, попадая под действие U₃, почти целиком уходит в коллекторный переход, создавая коллекторный ток транзистора.

Для характеристики эффективности передачи эмиттерного потока в коллектор служит коэффициент α, представляющий собой отношение коллекторного тока к эмиттерному.

=I₃/I₂ (4.1)

У современных транзисторов этот коэффициент близок к единице (= 0,98 - 0,997). Некоторая часть электронного потока из эмиттера все же уходит в базовый вывод транзистора, создавая базовый ток. Между токами эмиттера коллектора и базы существует очевидное соотношение:

I₂=I₃+I_1. (4.2)

Заменив в (3.2) I₂ формулой из (4.1), получим:I₃=I₁/(1-) (4.3)

Из (4.3) видно, что ток коллектора будет пропорционален току базы, причем коэффициент пропорциональности =/(1-), называемый коэффициентом передачи тока базы, существенно больше единицы. Типичное значение =50 - 200. Удобство коэффициентов  и  обусловлено тем, что они слабо зависят от напряжения U₃, прикладываемого между эмиттером и коллектором транзистора. Практически  и  const при изменении U_пит от 0,5 В. до десятков вольт.

В отличие от полевых транзисторов, у которых ток управляющего электрода (затвора) равен нулю, биполярные работают с заметным током управляющего электрода (базы). Более того, именно ток базы принимается в качестве параметра при изображении вольтамперных характеристик по третьему электроду (коллектору). Типичное семейство таких ВАХ показано на рис.4.11. Каждая кривая состоит из короткого но крутого из начального участка, на котором коэффициент β сильно зависит от U₃, и последующего почти горизонтального, на котором β остается можно считать постоянным, а I₃= βI₁.