Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n–переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n –перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод – коллектором.

На рис. 3.1,а показано схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 3.1,б).

Транзистор p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 3.2, а. Более простой вариант условного графического обозначения – на рис. 3.2,б.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна. Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это можно объяснить тем, что основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а транзисторах типа p-n-p – дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Рис. 3.1. Структура транзистора типа n-p-n (а)

и его графическое обозначение (б)

Рис. 3.2.Структура транзистора типа p-n-p (а)

и его графическое обозначение (б)

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественные особенности структуры транзистора. В основе работы биполярного транзистора типа n-p-n лежат те же физические процессы, которые рассмотрены при изучении полупроводникового диода. Особенности транзистора определяются особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, показанное на рис. 3.3. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n–переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 3.4).

Рис. 3.3. Структура транзистора Рис. 3.4. Схема с двумя диодами

В схеме с диодами ток каждого диода зависит от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 – 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки. Транзисторы часто применяют для усиления переменных сигналов (которые при расчетах обычно считают синусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.

Во входной цепи, кроме источника постоянного напряжения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменного напряжения. Представим три характерные схемы включения транзистора.

Схема с общей базой (ОБ) (рис. 3.5). Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх. Учитывая, что , можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.

Рис. 3.5. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)

Рис. 3.6. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.6). Так как , а при достаточно большом сопротивлении R_н амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.

Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

Схема с общим коллектором (ОК) (рис. 3.7). При определении переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения u₁ и u₂ заменяют закоротками (закорачивают).

Рис. 3.7. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК)

После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения u_вх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название – схема с общим коллектором.

Напряжение u_бэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения u_вх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения u_вых. Поэтому схемы с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.

Учитывая, что , можно отметить, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.

Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения u_бэ, так и напряжения u_вых.

На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.