Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения транзисторов

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и пригодный для усиления мощности.

В транзисторе чередуются три области полупроводника с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования различают транзисторы типов р-п-р и п-р-п. Принцип действия их одинаков.

Чередующиеся области транзистора называют эмиттером, базой и коллектором. Каждая область снабжена соответствующими выводами (электродами). Эмиттер - крайняя область транзистора, предназначенная для инжекции носителей заряда в базу. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным. В активном (усилительном) режиме на него подано прямое напряжение. Коллектор - вторая крайняя область, предназначенная для экстракции носителей заряда из базы. Электронно-дырочный переход между коллектором и базой называют коллекторным. В активном режиме на него подано обратное напряжение. База - средняя область, обеспечивает взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами. Управляющие напряжения Uэб, Uкб, практически полностью приложены к р-п-переходам, поэтому если база однородная, движение носителей заряда в ней чисто диффузионное за счет разности их концентрации. Такие транзисторы называют бездрейфовыми. Транзисторы с неоднородной базой называют дрейфовыми.

Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании трех основных явлений:

- инжекции носителей из эмиттера в базу при подаче на эмиттерный переход прямого напряжения;

- переноса инжектированных в базу неосновных носителей к коллекторному переходу, вследствие диффузии или дрейфа;

- экстракции инжектированных в базу и дошедших до коллекторного перехода неосновных носителей из базы в коллектор при подаче на коллекторный переход обратного напряжения.

Принцип действия транзистора заключается в том, что, задающий ток входной низкоомной цепи эмиттера (эмиттерный переход открыт) эффективно управляет током в выходной высокоомной цепи коллектора (коллекторный переход закрыт). Такое взаимодействие происходит за счет тонкой базы. Большая часть носителей, инжектируемых из эмиттера через эмиттерный переход (для базы они являются неосновными) успевает достичь за счет диффузии коллекторного перехода и под действием ускоряющего для них электрического поля перейти в область коллектора, замыкая цепь выходного тока. Для того чтобы прямой ток эмиттерного перехода практически полностью переходил в коллекторную область транзистор имеет ряд конструктивных особенностей:

- эмиттер легируется сильнее базы на несколько порядков. При таких условиях преобладает поток основных носителей из эмиттера в базу, который является управляемым.

- толщина базы много меньше диффузионной длины носителей W.

Транзистор представляет собой управляемый прибор. Поскольку напряжение в цепи коллектора, переход которого включен в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмитте­ра, переход которого включен в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т.е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Схемы

В электрическую цепь транзистор включают таким образом, что один из его выводов (электрод) является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК.

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.

Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

Усилитель с общей базой.

Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].

Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

Хорошие температурные и частотные свойства.

Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой:

Малое усиление по току, так как α < 1

Малое входное сопротивление

Два разных источника напряжения для питания.

Схема включения с общим эмиттером

Iвых = Iк

Iвх = Iб

Uвх = Uбэ

Uвых = Uкэ

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].

Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.

Достоинства:

Большой коэффициент усиления по току.

Большой коэффициент усиления по напряжению.

Наибольшее усиление мощности.

Можно обойтись одним источником питания.

Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

Схема с общим коллектором

Iвых = Iэ

Iвх = Iб

Uвх = Uбк

Uвых = Uкэ

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1].

Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.

Достоинства:

Большое входное сопротивление.

Малое выходное сопротивление.

Недостатки:

Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем».

Дата добавления: 2015-05-06