Пояснение к работе. Биполярный транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами

Биполярный транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, имеет три вывода и предназначен для усиления и генерирования электрических сигналов. Электронно-дырочные переходы в транзисторе образуются тремя областями различной электропроводности. В зависимости от порядка чередования областей транзисторы могут быть типов р-п-р и п-р-п. В обоих случаях транзистор содержит два р-п (или п-р)-перехода. На рис. 2.1, а, б показано условное обозначение транзисторов типов р-п-р и п-р-п.

а)	б)
Рис. 2.1. Условные изображения транзисторов разных типов: a) – транзистор типа р-п-р; б) – транзистор типа п-р-п

Крайний, сильно легированный слой с меньшей площадью называется эмиттером, а слой с большей площадью – коллектором. Средний слой транзистора называют базой. Биполярный транзистор можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 2.2.)

Рис. 2.2. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Существуют три способа включения транзистора: схема с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Схема ОБ (рис. 2.3) позволяет раскрыть физику транзистора.

Рис. 2.3. Включение n-p-n транзистора с общей базой и с общим эмиттером

Эта схема обладает малым входным сопротивлением и не обеспечивает усиления тока.

Главную роль в транзисторной технике играет включение с общим эмиттером (рис. 2.4)

Рис. 2.4. Включение p-n-p транзистора с общей базой и с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером ток базы управляет током коллектора, в схеме с общим коллектором ток базы управляет током эмиттера. Наиболее часто используют транзисторы при их включении по схеме с общим эмиттером. Входным напряжением в схеме с общим эмиттером является U_бэ. На базе должно быть отрицательное напряжение (в случае транзистора тина р-n-р, чтобы первый переход оказался открытым). Выходным напряжением здесь является U_кэ. Напряжение на коллекторе также должно быть отрицательным относительно эмиттера, а чтобы второй переход был закрытым, напряжение на коллекторе по модулю должно превышать напряжение на базе.

Принцип действия транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 2.5.

Представим себе структуру транзистора типа n-р-n, включенного по схеме ОЭ (рис.2.5, а). Условное обозначение такого транзистора приведено на рис. 2.5, б. Для удобства отсчета потенциалов эмиттер транзистора заземлим. Входным электродом транзистора является база р-типа, выходным – коллектор n-типа. В соответствии с изложенным ранее между базой и эмиттером подается небольшое положительное напряжение U_бэ, а между коллектором и эмиттером напряжение U_кэ также положительное и большее, чем U_бэ (несколько вольт). Тогда на переходах транзистора получаются напряжения, соответствующие его работе в усилительном режиме.

Рис.2.5. Транзистор типа n-р-n:

а) – структура; б) – условное обозначение

При подаче указанных напряжений в структуре транзистора происходят следующие явления. Поскольку на эмиттерный p-n-переход подано прямое напряжение, возникает инжекция, т. е. введение электронов из эмиттера в базу. Одновременно инжектируют и дырки из базы в эмиттер, но этим явлением можно пренебречь, т. к. база имеет меньшую концентрацию примесей по сравнению с эмиттером, а, следовательно, и меньшую концентрацию носителей заряда. Небольшая часть инжектированных электронов (1–3 %) рекомбинирует с дырками базы. За счет этого по проводу, соединенному с базой, будет протекать небольшой ток базы I_б. Остальная часть электронов (α = 0,97÷0,99) проникает далее в коллектор. Этому способствует положительный заряд коллектора, а также то, что базу намеренно выполняют очень тонкой (порядка 1 мкм).

Из такого рассмотрения легко понять механизм усиления схемы ОЭ по току и напряжению. Действительно, пусть за счет входного переменного сигнала напряжение U_бэ изменяется. Это приведет к значительным колебаниям инжектированного эмиттером тока. Наиболее значительная часть этого тока будет протекать в коллектор, а на долю базы опять будет приходиться только небольшая часть тока. Это означает, что хотя входной ток базы небольшой, однако он вызывает значительные колебания тока на выходе. Если же в коллекторную цепь включить резистор с достаточно большим сопротивлением, то в соответствии с законом Ома колебания тока вызовут увеличение амплитуды колебания напряжения, т. е. произойдет усиление сигнала и по току, и по напряжению. Поскольку полярность напряжений, подаваемых на базу и коллектор, положительная, обе цепи можно питать от одного источника, на базу напряжение подают с помощью делителя, т. к. оно должно быть небольшим.

Параметры транзистора можно определить по его входным и выходным характеристикам. Входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляют собой зависимости тока базы от напряжения на базе:

I_б = f(U_бэ) при U_кэ = const.

На рис. 2.6 приведены входные характеристики транзистора при его включении с общим эмиттером.

Рис. 2.6. Входная характеристика транзистора

При открытом первом переходе ток базы I_б (т. е. входной ток) сильно зависит от прямого напряжения на базе U_бэ и мало зависит от обратного напряжения U_кэ (при его большом значении).

При увеличении обратного напряжения U_кэ входная характеристика немного смещается вниз, что объясняется уменьшением тока базы из-за увеличения тока коллектора.

Используя входную характеристику транзистора, можно определить его входное сопротивление R_вх для определенного положения рабочей точки А (см. рис. 2.6). Для этого при постоянном напряжении на коллекторе U_кэ задают приращение тока базы ∆I_б и определяют получающееся при этом изменение напряжения на базе ∆U_бэ. Входное сопротивление транзистора определяют как отношение

R_вх = ∆U_бэ / ∆I_б.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляют собой зависимости коллекторного тока от напряжения на коллекторе:

I_к = f(U_кэ) при I_б = const.

На рис. 2.7 приведены выходные характеристики транзистора включенного по схеме с общим эмиттером.

С увеличением тока базы I_б характеристики смещаются вверх. Связь между током коллектора I_к и током базы I_б определяется коэффициентом передачи тока базы β = ∆I_к /∆I_б, который легко можно выразить через известный коэффициент передачи тока эмиттера а:

β = ∆I_к /∆I_б = ∆I_к /(∆I_э-∆I_к) = а /(I - а).

Коэффициент передачи тока базы β зависит от напряжения на коллекторе U_кэ и от тока эмиттера I_э.

Рис. 2.7. Выходные характеристики транзистора

При малых напряжениях на коллекторе ׀U_кэ׀ < ׀U_бэ׀ транзистор переходит в режим насыщения, при котором неосновные заряды инжектируются в базу не только эмиттером, но и коллекторным переходами. Для сохранения тока базы неизменным (т. к. характеристики снимают при I_б = const) нужно уменьшить напряжение на базе, что приводит к резкому уменьшению токов эмиттера и коллектора. В этом месте выходные характеристики имеют резкий спад, коэффициент передачи тока базы β резко уменьшается, эффективность управления коллекторным током снижается.

По выходным характеристикам можно определить также выходное сопротивление транзистора R_выx. Для этого в рабочей точке А при I_б = const задают приращение коллекторного напряжения ∆U_кэ и определяют получающееся при этом приращение тока коллектора ∆I_к. Выходное сопротивление транзистора находят как отношение:

R_вых=∆U_кэ/∆I_к.