Биполярные транзисторы

Транзистором называют трехэлектродный полу­проводниковый прибор, служащий для усиления мощно­сти электрических сигналов. Кроме усиления транзисторы используют для генерирования сигналов, их различных преобразований и решения других задач электронной тех­ники.

Различают два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Название биполярного транзисто­ра объясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов двух знаков - отрицательных и положи­тельных (электронов и дырок). Термин же транзистор про­исходит от английских слов transfer - переносить и resi­stor - сопротивление, т.е. в них происходит изменение со­противления под действием управляющего сигнала.

На рис. 86 показана структура такого транзистора и его обозначение на схемах.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев по­лупроводников типа «р» и «и», между которыми образу­ются два р-п перехода. В соответствии с чередованием слоев с разной электропроводностью биполярные транзи­сторы подразделяют на два типа: р-п-р (рис. 86 а) и п-р-п (рис. 86 б). У транзистора имеются три вывода (электро­да): эмиттер (э), коллектор (к) и база (б). Эмиттер и кол­лектор соединяют с крайними областями (слоями), имею­щими один и тот же тип проводимости, база соединяется со средней областью. Напряжение питания подают на пе­реход «эмиттер - база» в прямом направлении, а на пере­ход «база - коллектор» - в обратном направлении.

По диапазонам используемых частот транзисторы делятся на низкочастотные (до 3МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц). По мощности транзисторы делятся на малой мощности (до 0,3Вт), средней мощности (от 0,3Вт до 1,5Вт), большой мощности (свыше 1,5Вт).

Рис. 86. Структура биполярного транзистора и его обозначение на схемах: а) транзистора типа p-n-р; б) транзистора типа п-р-п

При подключении эмиттера транзистора типа р-п-р к положительному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток /э (рис. 87). Стрелкой указано движение носителей заряда. Дырки преодолевают переход и попада­ют в область базы, для которой дырки не являются основ­ными носителями заряда. Дырки частично рекомбинируют с электронами базы. Так как напряжение питания коллек­тора во много раз (приблизительно в 20 раз) больше, чем напряжение питания базы, и конструктивно слой базы вы­полняется очень тонким, то электрическое сопротивление цепи базы получается высоким и ток, ответвляющийся в цепь базы /_б, оказывается незначительным. Большинство дырок достигают коллектор, образуя коллекторный ток 1_К.

I_э = I_к + I_б, причем /_к = αIэ,

где α - коэффициент передачи тока, практически α = 0,95-0,995.

Рис. 87. Принцип действия биполярного транзистора

Ток коллектора 1_К превосходит ток базы I_б от 20 до 200 раз. Это объясняет возможность усиления с помощью транзистора тока и, соответственно, мощности сигнала во много раз. Действительно, если подавать напряжение сиг­нала в цепь базы, то в соответствии с напряжением сигнала будет изменяться сопротивление p-n-перехода между эмиттером и базой. Это изменяющееся сопротивление включено в коллекторную цепь, что приведет к соответст­вующему изменению тока коллектора, который во много раз больше тока базы.

Если в коллекторную цепь включить сопротивле­ние нагрузки, в нем будет выделяться мощность, во много раз большая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы. При этом следует иметь в виду, что мощность сигна­ла усиливается за счет энергии источников питания.

Принцип действия транзистора типа п-р-п точно такой же, как у рассмотренного выше транзистора р-п-р.

Вольт-амперные характеристики транзистора раз­личаются в зависимости от схемы его включения: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) или с общим коллек­тором (ОК) (рис. 88).

Рис. 88. Схемы включения транзистора: а) с общим эмиттером; б) с общей базой; в) с общим коллектором

Различают следующие основные вольт-амперные характеристики транзистора:

1. Входная - зависимость входного тока от входно­го напряжения при постоянном выходном напряжении

I_б = f(U_бэ ) при U_кэ — const для схемы с ОЭ ;

I_э = f(U_бэ ) при U_кб — const для схемы с ОБ ;

I_б = f(U_кэ ) при U_кэ - const для схемы с ОК .

2. Семейство выходных характеристик - зависи­мость выходного тока от выходного напряжения при раз­ных (фиксированных) значениях входного тока

I_к = f(U_кэ ) при I_б — const для схемы с ОЭ ;

I_к = f(U_кб ) при I_э — const для схемы с ОБ ;

I_э = f(U_кэ ) при I_б - const для схемы с ОК .

На рис. 89 представлены вольт-амперные характе­ристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис. 89. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора с общим эмиттером: входная (а) и семейство выходных (б)

В наиболее распространенных транзисторах не­большой мощности ток базы составляет десятки или сотни микроампер, напряжение на базе изменяется от нуля до нескольких десятых долей вольта. Коллекторный ток на выходных характеристиках транзисторов небольшой мощ­ности изменяется от нуля до единиц или десятков милли­ампер, напряжение на коллекторе - от нуля до одного-двух десятков вольт.

Свойства транзисторов характеризуются их пара­метрами, с помощью которых можно сравнивать качество транзисторов, решать задачи, связанные с применением транзисторов в различных схемах, и рассчитывать эти схемы.

h-параметры транзистора определяют, рассмат­ривая транзистор как четырехполюсник, т.е. прибор, имеющий два входных и два выходных зажима. Они свя­зывают входные и выходные токи и напряжения, спра­ведливы только для нормального режима работы транзи­стора и малых амплитуд сигналов и могут быть опреде­лены экспериментально или по входной и выходным ха­рактеристикам.

h-параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером:

Входное сопротивление транзистора (между базой и эмиттером) для переменного тока

h_ll=∆U_6э / ∆I₆ при U_кэ = const.

Для маломощных транзисторов h₁₁ = 1000÷10000 Ом; для транзисторов средней и большой мощности - h₁₁ = 50÷1000 Ом.

Коэффициент усиления по току

h_2l=∆I_K / ∆I₆ при U_кэ = const.

Этот коэффициент изменяется от 20 до 200.

Выходная проводимость

h₂₂ = ∆I_к / ∆U_кэ при /_б, = const.

Для маломощных транзисторов h₂₂ ≈10^-6 Cм, a для транзисторов средней и большой мощности h₂₂ = 10^-4÷10^-6 См. Отметим, что выходную проводимость иногда заменяют выходным сопротивлением R_eых = 1 / h₂₂

Иногда рассматривается коэффициент обратной связи по напряжению

h₁₂ =∆U_бэ / ∆U_кэ при /_б = const.

Величина h₁₂ ≈ 2·10^-3÷2·10^-4 и из-за малости часто не принимается во внимание.

Параметры биполярных транзисторов зависят от температуры окружающей среды.

Выделяют три области работы транзистора (рис. 89 б). При работе транзистора как усилителя эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Это - ак­тивная область работы, в которой транзистор можно счи­тать линейным активным элементом. Область, в которой оба перехода смещены в обратном направлении, называют областью отсечки. Область, в которой оба перехода сме­щены в проводящем направлении, называют областью на­сыщения.