Биполярные транзисторы

Лекция №15. Биполярные транзисторы

Цель: ознакомиться с устройством, принципом действия, характеристиками, режимами работы и схемами подключения биполярных транзисторов

Структура транзистора

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами между тремя областями: Э – эмиттером, Б – базой и К – коллектором. В зависимости от чередования легированных областей различают транзисторы n-p-n-типа и р-п-р-типа.

У реальных транзисторов площади обоих n-p-переходов существенно различаются. Это различие проиллюстрировано на рисунке: p-n-переход между эмиттером и базой (называется эмиттерным переходом) имеет гораздо меньшую площадь, чем p-n-переход базой и коллектором (он называется коллекторным). Кроме того, эмиттерная и коллекторная области отличаются тем, что в эмиттерной области концентрация примесей много больше, чем в коллекторной области. Таким образом, транзистор является асимметричным прибором.

Конструктивно биполярный транзистор представляет собой пластину монокристалла полупроводника с электропроводностью р- или n-типа, по обеим сторонам которой вплавлены (или внесены другим образом) полупроводники, обладающие другим типом электропроводности. На границе раздела областей с разным типом электропроводности образуются р-п- или п-р-переходы с разной величиной сопротивлений: с малым сопротивлением (десятки Ом) эмиттерного перехода  и очень большим сопротивлением (сотни кОм – единицы МОм) коллекторного перехода.

Главной особенностью конструкции транзистора является относительно тонкая базовая область. Ширина базы W в транзисторе много меньше длины свободного пробега дырок L. У современных кремниевых транзисторов W = 1мкм, а длина свободного пробега L = 5 ... 10 мкм. Кроме того, концентрация основных носителей в базе делается значительно меньшей, чем концентрации носителей в эмиттере и коллекторе.

На рисунке выше даны идеализированные модели и условные обозначения транзисторов n-p-n- и р-п-р-типов, соответственно.

Режимы работы и схемы включения транзистора

Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

1) активный режим – открыт эмиттерный переход и закрыт коллекторный переход;

2) режим отсечки – оба р-п-перехода закрыты, и существенного тока через транзистор нет;

3) режим насыщения - два р-п-перехода транзистора открыты и через них протекают прямые токи;

4) инверсный режим – открыт коллекторный переход и закрыт эмиттерный переход.

Открытие и закрытие перехода осуществляется наложением на него напряжения соответствующей полярности.

Различают три схемы включения транзисторов:

1) с общей базой (рис. а);

2) с общим эмиттером (рис. б);

3) с общим коллектором (рис. в).

Название схемы показывает; какой электрод является общим для входной и выходной цепей.

Токи биполярного транзистора

Рассмотрим работу транзистора на примере схемы включения с общей базой (см. рис.). Транзистор р-п-р-типа работает в данном случае в активном режиме. В этом режиме эмиттерный переход транзистора открыт. Открывающее напряжение равно U_Э = 0, 4...0 ,7 В. Через открытый эмиттерный переход течет ток I_Э (I_Э = 0,1 ... 10 мА для маломощного транзистора). Концентрация дырок в области эмиттера много больше концентрации электронов в области базы и практически весь ток эмиттера – это дырочный ток. В базе незначительная часть дырок, перешедших из эмиттера, рекомбинирует с электронами базы, убыль которых пополняется новыми носителями зарядов из внешней цепи, образующими ток базы I_Б. Но подавляющее большинство дырок (из-за малой толщины базы) достигают коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с электронами базы. Попадая в обратно смещенный коллекторный переход, дырки дрейфуют (и ускоряются) в имеющемся поле перехода.

Пройдя коллекторный переход, дырки рекомбинируют с электронами, подтекающими к коллектору от источника питания с напряжением U_К. Таким образом, ток коллектора окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего

I_э=Iк  + I_б ,

где  I_э>>I_б , Iк_>>I_б    . Данное уравнение называется уравнением для токов транзистора.

Итак, через транзистор течет сквозной ток от эмиттера через базу к коллектору (его направление отражено в условном обозначении транзистора – стрелка от эмиттера в сторону базы).

Током коллектора можно управлять. Для этого следует изменить напряжение U_Э источника питания цепи эмиттера. С увеличением U_Э увеличивается ток эмиттера, а следовательно, и ток коллектора (при прочих равных условиях). Таким образом, ток эмиттера является управляющим, а ток коллектора – управляемым. Поэтому транзистор часто называют прибором, управляемым током. Отметим, что изменение обратного напряжения U_К источника питания цепи коллектора практически не вызывает увеличения тока коллектора, так как поле коллекторного перехода является ускоряющим и не может изменять числа дырок, которые пересекают коллекторный переход.

Соотношения между токами в транзисторе характеризуются двумя параметрами: коэффициентом передачи тока эмиттера

α =  

 и коэффициентом передачи тока базы β  = . Они связаны между собой соотношением:

β =

.

Значения этих коэффициентов зависят от конструкции транзистора. Для большинства маломощных транзисторов коэффициент , а коэффициент а = 0,95 ... 0,995.

Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор в активном режиме работы обладает свойством усиливать электрический входной сигнал. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

В схеме с общей базой значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера (как мы видели выше), т. е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. Сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода очень велико. Поэтому в цепь коллектора можно включать весьма большие сопротивления нагрузки R_н, не изменяя величину коллекторного тока. Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов и нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным. В этом случае напряжение, а, следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на DU_Э вызовет изменение эмиттерного тока на  (R_Э – сопротивление эмиттерного перехода). Ток коллектора изменится практически на такое же значение: , а напряжение на нагрузке изменится на . Если подставить в DU_н значение DI_Э, то , откуда видно, что приращение напряжения на R_н больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в  раз. А так как , то .

Приращение входной мощности , а приращение выходной мощности , т. е. оно больше DР_вх в  раз. Следовательно, .

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход подается переменный сигнал, который нужно усилить (см. рис. а). Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на коллектор (даже малое), приводит к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на резисторе R_н, т. е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

В схеме с общим эмиттером происходит усиление и по току, и по напряжению. Входным током является ток базы, значительно меньший тока эмиттера. Изменяя входное напряжение, меняем число основных носителей заряда эмиттера через базу и соответственно через коллектор. Так как в базу от источника поступает меньше носителей, чем инжектируется из эмиттера в базу и коллектор, то незначительное увеличение тока во входной цепи вызывает существенное изменение тока в выходной цепи.

Таким образом, транзистор, включенный по схеме с ОЭ, характеризуется большим усилением по току. При этом имеется и усиление по напряжению: так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить резистор R_н с большим сопротивлением, происходит и усиление по мощности.

В схеме с общим коллектором происходит усиление по току и по мощности, усиления по напряжению нет.

• чем заключается принцип работы транзистора?
• устройство плоскостного германиевого транзистора?
• схемы включения транзисторов.

Морозов А. Г. Электротехника, электроника и импульсная техника: Учебное пособие для инженерно-экономических специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 1987. – 448 с.

Кучумов А. И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие. – М.: Гелиос АРВ, 2004. – 336 с.

Паначевный Б. И. Курс электротехники: Учебник для студентов механических специальностей высших учебных заведений. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. – 288 с.