Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с трехслойной полупроводниковой структурой. Каждая из трех областей, называемых эмиттером, коллектором и базой, снабжается отдельным выводом Э, К и Б соответственно.

Структура транзисторов. При рассмотрении процессов, происходящих в транзисторе, его удобно представлять структурными плоскостными схемами. Изображенный на рис.1.12а транзистор имеет структуру р-n-р (транзистор прямой проводимости). На рис. 1.12б показан транзистор с другим чередованием областей n-р-n (транзистор обратной проводимости), на рис. 1.12в, г - соответствующие структурной схеме условные обозначения транзисторов. Разница в принципе работы транзисторов обеих структур нет, но полярность подключения выводов к источникам питания противоположная. Прямой транзистор работает в области отрицательных напряжений, прикладываемых к переходам, а обратный транзистор – в области положительных напряжений.

Так как транзистор - симметричная структура, то любая крайняя область могла бы быть как эмиттером, так и коллектором. Однако в реальных конструкциях исходя из обеспечения лучшей работы транзистора область коллектора делается большей по размеру, чем область эмиттера. Из тех же соображений толщина базы делается небольшой. Переход эмиттер - база называется эмиттерным, переход коллектор - база - коллекторным. Назначение эмиттера - инжекция (вспрыскивание) в область базы неосновных для нее носителей заряда, для чего область эмиттера выполняют более насыщенной основными носителями (более низкоомной), чем область базы. Назначение коллектора - экстракция (втягивание) носителей из базы. Назначение базы заключается в управлении потоком носителей зарядов между эмиттером и коллектором.

a)	б)
в)	г)
Рис.1.12. Структура и изображение биполярных транзисторов.

Схемы включения транзисторов и режимы работы. При включении биполярного транзистора используются два источника питания. Поэтому такие транзисторы называют биполярными. При этом один из выводов транзистора делают общим для входной и выходной цепей, поэтому схемы включения бывают: с общей базой (ОБ) (рис.1.13а); с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 1.13б); с общим коллектором (ОК) (рис. 1.13в). Относительно общего вывода, на котором считают потенциал нулевым, измеряют напряжения входной и выходной цепей транзистора. Наибольшее применение по своим параметрам имеет схема включения с ОЭ. Однако физические процессы в транзисторе удобнее рассматривать на примере схемы с ОБ.

а) б) в)

Рис.1.13. Схемы включения транзисторов.

а) б) в)

Рис.1.14 Режимы работы транзисторов.

В зависимости от смещения, созданного на эмиттерном и коллекторном переходах транзистор может работать в трех режимах.

1. Если один переход смещен в прямом направлении, а другой - в обратном, режим называют активным (рис. 1.14а). Активный режим используется в усилительных схемах, в схемах генерирования, где транзистор выполняет функции активного элемента схемы.

2. Если оба перехода смещены в прямом направлении (рис. 1.14б), транзистор работает в режиме насыщения (полностью открыт).

3. Если оба перехода смещены в обратном направлении (рис. 1.14в), транзистор работает в режиме осечки (полностью закрыт).

Режимы отсечки и насыщения используют в ключевых режимах работы транзистора: режим отсечки соответствует состоянию "отключено", режим насыщения - "включено".

Статические характеристики транзистора. Основными характеристиками транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, являются статическая входная характеристика Iб=f(Uб) при Uк=const (рис.1.15) и статическая выходная Iк=f(Uk) при Iб=const. Входная характеристика определяет зависимость тока базы от напряжения на базе при неизменном напряжении на коллекторе. В рассматриваемой схеме к эмиттерному переходу транзистора приложено прямое напряжение, поэтому при напряжении на коллекторе Uк = 0 входная характеристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового р-n -перехода.

Статическая выходная характеристика транзистора показывает зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при неизменном значении тока базы. Так как к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, выходная характеристика соответствует левой ветви вольт-амперной характеристики р-n - перехода.

На выходных статических характеристиках можно выделить три характерных области. Первая область (I) ограничена ветвями А и Б и соответствует активному режиму транзистора. Вторая область (II), расположенная между осью Iк и ветвью А, соответствует режиму насыщения, а область между ветвью Б и осью Икэ (III)- режиму отсечки.

Рис.1.15. Статические характеристики транзистора.

Принцип усиления транзистора. Рассмотрим включение транзистора по схеме с ОЭ в активном режиме (рис.1.16). Полярность внешних источников UБэ и Uкэ выбирается такой, чтобы на эмиттерном переходе было прямое смещение (минус источника UБэ подан на базу, плюс - на эмиттер), а на коллекторном переходе - обратное смещение (минус источника Uкэ - на коллектор, плюс - на эмиттер), причем напряжение /U_КЭ/ > /U_БЭ, т.е. потенциал на коллекторе должен быть более отрицательным чем на базе.

Рис. 1.16. Распределение токов и напряжений в транзисторе при активном режиме.

В результате приложения к эмиттерному переходу прямого напряжения начинается усиленная диффузия (инжекция) дырок из эмиттера в базу. Под воздействием сил диффузии в результате перепада концентрации вдоль базы дырки продвигаются от эмиттера к коллектору. Поскольку база в транзисторе выполняются тонкой, основная часть дырок, инжектированных эмиттером, достигается коллекторного перехода, не попадая в центры рекомбинации. Эти дырки захватываются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, так как это поле является ускоряющим для не основных носителей - дырок в базе n-типа. Соотношение токов эмиттера и коллектора определяется выражением:

Iк = a Iэ,

где a - коэффициент передачи тока транзистора. Коэффициент a практически представляет собой к.п.д. транзистора и в среднем составляет величину порядка 0.95.

Кроме основных токов коллектора и эмиттера в коллекторном переходе возникает незначительный ток неосновных носителей (переход дырок из базы в коллектор и электронов из коллектора в базу), который называется обратным током коллекторного перехода и обозначается IкБо. Незначительной величиной Iкбо в дальнейшем можно пренебречь.

Из закона Кирхгофа для токов в транзисторе следует, что Iэ = Iк + IБ. После несложных преобразований получим

Iк / IБ =a / (1 - a)

Отношение Iк / IБ, т.е. отношение выходной величины Iк к входной IБ, называется статическим коэффициентом усиления транзистора. Учитывая, что a» 0.95, можно видеть, что коэффициент усиления транзистора по схеме с ОЭ много больше 1. В этом состоит одно из основных назначений транзистора – усиление базовых токов.

Принцип действия транзистора n-р-n - типа аналогичен, лишь направление токов, знаки носителей заряда и полярность приложенных напряжений противоположны тем, которые имеют место в рассмотренном р-n-р транзисторе.

Параметры транзисторов, приводимые в справочниках:

Коэффициент передачи по току: a = Iк / Iэ» 0,95.

Коэффициент усиления: К =a / (1 - a) >> 1.

Максимальный ток коллектора: I_кмах. В зависимости от него транзисторы делятся: малой мощности (100 мА); средней мощности (1А); большой мощности (>5А).

Максимальное напряжение на коллекторе: U_кмах.

Входное сопротивление: R_вх.

Дата добавления: 2014-01-15