Биполярный транзистор, его параметры и характеристики

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех последовательных областей полупроводника с чередующимся типом проводимости (электронной и дырочной) рис. 1. При подаче на внешние выводы питающих напряжений определенной полярности прибор способен усиливать мощность электрических сигналов.

Конструкция транзистора выполнена таким образом, что между электронно-дырочными переходами транзистора существует взаимодействие, благодаря которому ток одного перехода может управлять током другого. При этом носители, инжектированные через один открытый переход, достигают другого перехода и изменяют его ток.

Взаимодействие между переходами обусловлено малой толщиной базы (примерно 0,5 мкм), которая оказывается значительно меньше диффузионной длины носителей, инжектированных в базу (примерно 10 мкм). Инжектированные носители распространяются в базе по законам диффузии и дрейфа, если в базе существует внутреннее электрическое поле, достигают коллекторного перехода и втягиваются в область коллектора под действием электрического поля, создаваемого источником коллекторного питания. Явление втягивания носителей в другую область p-n перехода под действием электрического поля называется экстракцией. Электрический ток через переход эмиттер-база обусловлен главным образом инжекцией носителей из эмиттера в базу. Инжекция носителей из базы в эмиттер незначительна, так как концентрация примесей в области базы гораздо ниже (на несколько порядков), чем в эмиттере. Отношение количества носителей, инжектированных из эмиттера в базу, к общему количеству носителей называется коэффициентом инжекции. Коэффициент инжекции, или эффективность эмиттера для транзистора n-p-n типа

.

Статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с общей базой

где M – коэффициент умножения тока коллектора, . При напряжениях питания транзистора, меньших предельно допустимых, .

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером

.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении, устанавливая определенную полярность питающих напряжений. Существуют три основных режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, а через транзистор протекает незначительный ток.

2. Активный режим – один p-n переход, обычно база-эмиттер, открыт, а другой закрыт для основных носителей в области базы.

3. Режим насыщения – оба p-n перехода открыты, ток, протекающий через транзистор, определяется параметрами внешних цепей.

Режимы отсечки и насыщения используются в ключевом режиме работы транзистора.

Рис. 2. Входные статические характеристики германиевого (слева)

и кремниевого (справа) транзисторов.

Активный режим используется для усиления сигналов, генерирования и преобразования колебаний, а также выполнения других линейных и нелинейных операций. В активном режиме используются различные схемы включения транзисторов, которые будут рассмотрены далее. В настоящей работе рассмотрим статические характеристики транзистора при его включении в схеме с общим эмиттером и работа транзистора в ключевом режиме.

На рис. 2 приведены входные статические характеристики германиевого и кремниевого транзисторов, включенных по схеме общим эмиттером. Отметим, что при характеристики смещаются вправо. Это объясняется тем, что при U_КЭ= 0 транзистор находится в состоянии насыщения, обеспечивающем высокий ток базы. При , транзистор выходит из насыщения, в результате чего уменьшается количество неосновных носителей в базе, а значит и уменьшается ток базы при постоянном напряжении на коллекторе. Кроме того, при , на выводе базы существует разность потенциалов при токе базы, равном нулю. Она обусловлена падением напряжения на сопротивлении p-n перехода эмиттера.

,

где - температурный потенциал. При значение .

Дифференциальное сопротивление можно определить, используя малые конечные приращения, из экспериментально полученной статической входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером при .

,

График этой функции можно представить в виде наклонной прямой, которая носит название нагрузочной прямой. Угол ее наклона . Если установить ток базы равным I_Б3, то ток коллектора в соответствии с характеристикой транзистора и нагрузочной прямой будет равен току покоя I_ПОК, напряжение на коллекторе – U_ПОК, а координаты (U_К и I_К) будут характеризовать положение рабочей точки на нагрузочной прямой. Изменение тока базы приведет к перемещению рабочей точки. При увеличении тока базы до значения, соответствующего I_Б5, рабочая точка переместится в левое верхнее положение, и транзистор перейдет в состояние насыщения, когда ток коллектора окажется максимальным, а напряжение коллектор-эмиттер близким к нулю. При уменьшении тока базы до значения, соответствующего I_Б1, рабочая точка переместится в правое нижнее положение, при котором напряжение на коллекторе возрастает почти до U_П, а ток коллектора становится близким к нулю, что соответствует режиму отсечки. Промежуточные положения рабочей точки на нагрузочной прямой при токах базы, изменяющихся от I_Б1 до I_Б5, будут соответствовать активному режиму.

Рис. 3. Выходные статические характеристики

транзистора в схеме с общим эмиттером.