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 UЭ = 0,4...0,7 В. Через открытый эмиттерный переход течет ток IЭ (IЭ = 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 IБ. 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 UК. Таким образом, ток коллектора окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего
Iэ=Iк + Iб ,
где Iэ>>Iб , Iк>>Iб . 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 UЭ источника питания цепи эмиттера. С увеличением UЭ 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 UК 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 Rн, 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 DUЭ вызовет изменение эмиттерного тока на (RЭ – сопротивление эмиттерного перехода). Ток коллектора изменится практически на такое же значение: , а напряжение на нагрузке изменится на . Если подставить в DUн значение DIЭ, то , откуда видно, что приращение напряжения на Rн больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в раз. А так как , то .
Приращение входной мощности , а приращение выходной мощности , т. е. оно больше DРвх 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 Rн, 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 Rн 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.
