Лекція 5 транзистори та тиристори

5.1. Будова, принцип роботи, схеми вмикання біполярних транзисторів

Біполярні транзистори - це напівпровідникові прилади, які використовують для підсилення електричних сигналів. Перший біполярний транзистор було зроблено у 1948 році в США. За цей винахід американські вчені Д. Бардін, У. Браттейн, У. Шоклі були нагороджені Нобелівською премією, що показує важливість їх роботи в створенні принципово нових напрямків розвитку науки і техніки.

Біполярний транзистор - це прилад, що має три області з різними типами електропровідності, два р - п-переходи і три виводи - емітер, база, колектор. Біполяр­ним цей прилад називається тому, що струм у ньому створюється носіями зарядів двох типів - електронами і дірками. Можливі два варіанти чергування структур у транзисторах, у відповідності до яких існують транзистори типів р - п - р (рис. 5.1, а) і п - р - п (рис. 5.1, б). Транзистор можна уявити як два послідовно з'єднаних діоди в одному корпусі. Якщо діоди мають спільні катоди, вони створюють транзистор типу р - п - р , а якщо спільні аноди - транзистор типу п - р - п. На рис. 5.2 показані структурні схеми таких транзисторів та їх стандартні зображення в електричних схемах. Емітерний вивід позначується стрілкою, яка скерована до бази в транзисторах р - п - р і від бази - в транзисторах п - р - п типу.

Один з зовнішніх шарів транзистора, який головним чином і створює струм в приладі, називається емітером. Між емітером і колектором знаходиться внутрішній шар, який називають базою. Ширина цього шару невелика, звичайно від 0,01 до 0,1 мм. Концентрація основних носіїв зарядів у базі значно менша, ніж в емітері і колекторі.

Рис. 5.1 Структура біполярного транзистора

Розглянемо роботу транзистора типу р - п - р, структуру якого зображено на рис. 5.1, а. Для того, щоб транзистор працював у активному режимі, до його виводів треба під'єднати зовнішні джерела напруги з полярністю, показаною на рисунку. Тоді до р - n-переходу емітер-база буде прикладено напругу U_еб в прямому напрямку, а до р - n-переходу база-колектор - напруга U_6к в зворотному напрямку. Як вже згадувалось, У р - n-переходах напівпровідникових приладів нерухомими іонами атомів домішок створюється запираюче електричне поле Е_зап. Якщо коло емитер-база розімкнене, то до р - n-переходу база-колектор (рис. 5.1, а) буде прикладено напругу U_6к зворотного напрямку і в колекторному виводі буде протікати струм І_к = І_кз, який є зворотним струмом р - n-переходу. Величина його дуже мала і складає 0,1÷10мкА для кремнієвих і 10÷100мкА для германієвих р - n-переходів. Струм І_кз створюється не основними носіями зарядів, тобто електронами в колекторі і дірками в базі. Якщо тепер на виводи емітер-база подати зовнішню напругу U_еб, яка створить зовнішнє поле з напруженістю Е_зовн більшою від напруженості поля Е_зап р - n-переходу, дірки з емітера почнуть інжектуватися в базу, в якій є в наявності порівняно невелика кількість електронів. Незначна частина дірок, що пересунулись до бази з емітера, рекомбінує з цими електронами, а більша частина дірок пересувається полем Е_зап я - р-переходу база-колектор і полем зовнішнього джерела напруги до колектора, утворюючи струм колектора. Відзначимо, що рекомбінацією називають процес зустрічі електронів з дірками, які супроводжуються зникненням вільних зарядів.

Отже, якщо напруга U_еб відсутня, струм колектораю . Поданням напруги U_еб можна створити струм колектора, який тепер буде рівний . Тут - коефіцієнт передачі струму від емітера до колектора. Для наведеної на рис. 5.1 схеми вмикання транзисторів за першим законом Кірхгофа . Оскільки , то . У сучасних транзисторів = 0,9 ÷ 0,99.

Наближено .

Підставивши в рівняння значення і виконавши необхідні перетворення отримаємо:

.

(5.1)

Тут при U_ке = const - коефіцієнт передачі струму бази.

Позначимо струм ( + 1)І_кз = І_ке0. Якщо прийняти І_ке0 0, оскільки І_кз 0, то залежність струму колектора від струму бази:

(5.2)

Звичайно  = 10 ÷ 100, але він може бути і більшим.

Вище повідомлялось, що транзистори використовують для підсилення електричних сигналів. Отже, кожний транзистор можна розглядати як підсилювач який має вхідні і вихідні виводи. Оскільки транзистор є триполюсником, то один з трьох його виводів має бути спільним для вхідного і вихідного кола, як це показано на рис. 5.2. Якщо спільним є вивід бази (рис. 5.2, а), то така схема з'єднань називається схемою із спільною базою (СБ), а якщо вивід емітера (рис. 5.2, б) - схемою із спільним емітером (СЕ).

Рис. 5.2 Електричні схеми вмикання біполярних транзисторів

В схемі із СБ вхідний струм I_вх = І_e, а вихідний – І_вих = І_к. Отже, вихідний струм І_вих = І_вх і завжди дещо менший вхідного. Коефіцієнт підсилення струму к₁ = І_вих / І_вх =  1. Вхідна напруга U_вх = U_e6 прикладена до емітерного переходу в прямому напрямку і не перевищує 0,5 ÷ 0,6 В. Вихідна ж напруга U_вих прикладена до колекторного переходу в зворотному напрямку і тому може бути значно більшою. Коефіцієнт підсилення напруги для схеми з СБ к_и = U_вих /U_вх звичайно може лежати в межах к_u 50 ÷ 5000 і більше. Коефіцієнт підсилення потужності k_р = k_u*k_i k_и. Оскільки вхідний струм керування в схемі з СБ завжди трохи більший вихідного, така схема застосовується рідко.

Найбільш поширена схема з'єднань транзистора - схема із спільним емітером (рис. 5.2, б). В цій схемі вихідний струм І_вих = І_к значно більший вхідного І_вх = І_б, оскільки І_вх І_б. Вхідна напруга прикладена до р - п-переходу емітер-база в прямому напрямку і має, як і в схемі з загальною базою, низький рівень. Вхідна напруга спричинює перехід дірок з емітера до бази. Невелика частина дірок рекомбінуе в базі з її електронами, а інші переходять у колектор, створюючи струм колектора І_к. Вихідна напруга U_вих прикладена до п - р-переходу база-колектор у зворотному напрямку, отже, може бути значно більшою від вхідної. Тому для транзистора із СЕ к = U_вих / U_вх >> 1. Внаслідок цього і коефіцієнт підсилення потужності в схемі із СЕ k_р = k_u*k_i >>1 і значно більший, ніж у схемі з СБ.

Можливий і третій варіант схеми з'єднань виводів транзистора — із спільним колектором. Таку схему застосовують для підсилення сигналів змінного струму. Оскільки вихідна напруга такого підсилювача мало відрізняється від вхідної за числовим значенням і по фазі, його називають емітерним повторювачем. Коефіцієнт підсилення по струму емітерних повторювачів може бути дуже великим.