Биполярный транзистор

Переход эмиттер-база это аналог диода. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует к коллектору. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они – неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт) и проносит их в коллектор. Это называется экстракция заряда. Судьба электронов эмиттера, попавших в результате случайных блужданий в базу, показана на рис. 5.2. Электрон №1 возвращается в эмиттер, №2 натыкается на дырку и рекомбинирует. (Рекомбинация – исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии.)

Концентрация дырок в базе маленькая, и большинство электронов, подобно №№3, 4 и 5, в конце концов, захватываются сильным электрическим полем перехода база – коллектор и попадают в коллектор.

Обратите внимание на то, что электроны в своих блужданиях проводят в базе некоторое время. Чем тоньше база, тем меньшее время проводят в ней электроны. Это время ограничивает быстродействие транзистора.

А Б В

Рис. 5.2.

Схема экстракции заряда в биполярном диффузионном n-р-n транзисторе.
Переход база-эмиттер обычно открыт. Переход база-коллектор – закрыт.

Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_Э = I_Б + I_K). Чем больше открыт переход база-эмиттер, тем больше ток эмиттера. Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_K = α I_Э), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 – 0.999.

Рис. 5.3.
Конструктивное оформление нескольких транзисторов.

Чем больше этот коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) = (10...1000). β = I_K / I_Б и называется статическим коэффициентом усиления по току. Таким образом, изменяя малый ток базы, можно приоткрывать переход база-эмиттер и увеличивать ток эмиттера, который значительно больше тока базы и почти равен току коллектора. Небольшое число рекомбинировавших в базе электронов выбывает, а количество выбывших дырок пополняется базовым током.

Рис. 5.4.

Входная характеристика кремниевого транзистора КТ312Б.

Она очень похожа на вольт-амперную характеристику кремниевого диода.

Входная характеристика – зависимость тока базы от напряжения на базовом переходе в прямом направлении очень похожа на характеристику диода (рис. 4.7, 4.8). Зависимость существенно нелинейная, а дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер сильно зависит от тока. Транзистор, закрытый при нулевом напряжении на базе, открывается, начиная с некоторого порогового напряжения, и диапазон рабочих напряжений на базе транзистора мал по сравнению со всеми другими напряжениями в схеме. Потому и говорят, что биполярный транзистор управляется током.

Рис. 5.5.

Выходные характеристики кремниевого транзистора КТ312Б.

Выходные характеристики транзистора (рис. 5.5) измерены при четырёх фиксированных токах базы – 53, 84, 116 и 150 мкА. Это зависимости тока коллектора транзистора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы для каждой характеристики. Рабочие части характеристик это почти параллельные линии. Видно, что при изменении тока базы на сто микроампер, коллекторный ток изменяется на пять миллиампер, то есть в пятьдесят раз больше. У некоторых транзисторов это увеличение может быть и в тысячи раз. Это и есть важнейшее свойство биполярного транзистора. Маленький ток базы может управлять большим током коллектора.

Рис. 5.6.

Схема измерений выходных характеристик биполярного транзистора (см., например, рис. 5.5).

Выходные характеристики транзистора (рис. 5.5) были измерены на схеме, которая является основой усилительного каскада (рис. 5.6). Такой каскад называется каскадом с общим эмиттером. Эмиттер подключён к общему проводу – отсюда и происходит название.

На схему подают (относительно "земли") два постоянных напряжения питания – +U и +Е. Пусть Е = 10 В.

Ток базы этого транзистора определяет величина напряжения источника +U. Тогда регулировкой этого напряжения +U устанавливают такой ток базы, при котором напряжение на коллекторе U_КЭ равно, например, половине напряжения Е, то есть +5 В. Затем измеряют напряжение на резисторе R₁ (U_R1 = U – U_БЭ) и делят это напряжение на величину его сопротивления. Это будет ток базы. После этого, не меняя ток базы, многократно изменяют E и измеряют величины Е и U_КЭ . Ток коллектора вычисляют, поделив разницу этих напряжений на R_K . Затем устанавливают другой ток базы и измеряют ещё одну характеристику. На рис. 5.5 их четыре, а можно сделать и больше.

Если иметь такое семейство выходных характеристик транзистора можно по известным току базы I_Б, напряжению питания Е и коллекторному сопротивлению R_K определить напряжение на коллекторе U_КЭ и коллекторный ток I_К .

Для начала рассмотрим вспомогательную задачу расчёта цепи, изображённой на рис. 5.7, с нелинейным сопротивлением R_НЕЛ. Пусть нелинейная характеристика I_НЕЛ (U) известна и мы можем построить её на графике. Как найти напряжение между точками b-c U_bc и ток в цепи?

Найдём сначала зависимость тока через сопротивление R от напряжения на нём. Если нелинейное сопротивление R_НЕЛ мысленно закоротить, то напряжение на нём будет равно нулю, а ток через сопротивление R будет I₀ = E_ac /R. Это точка 1 на графике рис. 5.7. Если же сопротивление R_НЕЛ мысленно сделать бесконечно большим, то ток станет равен нулю, а напряжение между точками b-c станет E_ac . Это точка 2на графике рис. 5.7. Проведём на графике по двум точкам прямую линию – закон Ома для сопротивления R.

Рис. 5.7.

Графическое определение напряжения и тока в нелинейной цепи.

В итоге мы получим точку пересечения графиков, координаты которой соответствуют искомым напряжению на нелинейном сопротивлении и текущему в цепи току. Кстати, в радиотехнике обычно все напряжения измеряют относительно "земли", то есть относительно общего провода.

Транзистор – нелинейное сопротивление, управляемое током базы. Поэтому для цепи простейшего усилителя, изображённого на рис. 5.6, можно применить такой же приём.

Вольт-амперная характеристика линейного сопротивления нагрузки R_Н будет пересекать несколько кривых этого семейства. Выберем напряжение питания 10 В и сопротивление нагрузки R_Н = 1 кОм. Проведём нагрузочную прямую между точками 10 мА (1) и 10 В (2).