БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярнымтранзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей счередующимися типами электропроводности и предназначеный для усиления сигнала.
Биполярныетранзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения ишироко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевыхустройствах.
Биполярные транзисторы можно классифицировать по материалу: германиевые и кремниевые; по виду проводимости: типа р-n-р и n–p–n; по мощности: малая (Рмах < 0,3Вт), средняя (Рмах = 1,5Вт) и большая (Рмах > 1,5Вт); по частоте: низкочастотные, среднечастотные,высокочастотные и СВЧ.
Втаких транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов:электронов и дырок. Отсюда пошло их название: биполярные.
Биполярный транзистор представляет собой пластинку германия или кремния, в которой созданы триобласти с различной электропроводностью. У транзистора типа n-р-n средняя область имеет дырочную, а крайние области – электроннуюэлектропроводность.
Транзисторытипа р-n-р имеютсреднюю область с электронной, а крайние – с дырочной проводностью.
Средняяобласть транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, вторая– коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два р-n– перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный– между базой и коллектором.
Эмиттером- это область транзистора для инжекции носителейзаряда в базу. Коллектором – область, назначением которой является извлечениеносителей заряда из базы. Базой называется область, в которую инжектируютсяэмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Концентрацияосновных носителей заряда в эмиттере во много раз больше концентрации основныхносителей заряда в базе, а в коллекторе несколько меньше концентрации в эмиттере. Поэтомупроводимость эмиттера гораздо выше проводимости базы, а проводимостьколлектора меньше проводимости эмиттера.
В зависимости от того, какой извыводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемывключения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общимколлектором (ОК).
Входная,или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной,или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемыхколебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.
Принцип действия транзистора на примере транзистора р-n-р –типа, включенного по схеме с общейбазой (ОБ).
Внешниенапряжения двух источников питания ЕЭ и Ек подключают к транзистору таким образом, чтобыобеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении,а коллекторного перехода П2 – в обратном направлении.
Еслик коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а цепь эмиттераразомкнута, то в цепи коллектора протекает небольшой обратный ток Iко. Он возникает поддействием обратного напряжения и создается направленным перемещением неосновныхносителей заряда дырок базы и электронов коллектора через коллекторный переход.Обратный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, −Ек.
Привключении в цепь эмиттера постоянного напряжения ЕЭ в прямом направлениипотенциальный барьер эмиттерного перехода понижается. Начинается инжектированиедырок в базу.
Внешнеенапряжение, приложенное к транзистору, оказывается приложенным в основном кпереходам П1 и П2, т.к. они имеют большое сопротивление по сравнению ссопротивлением базовой, эмиттерной и коллекторной областей. Поэтомуинжектированные в базу дырки перемещаются в ней посредством диффузии. При этомдырки рекомбинируют с электронами базы. Поскольку концентрация носителей в базезначительно меньше, чем в эмиттере, то рекомбинируют очень немногие дырки. Прималой толщине базы почти все дырки будут доходить до коллекторного перехода П2.На место рекомбинированных электронов в базу поступают электроны от источникапитания Ек.Дырки, рекомбинировавшие с электронами в базе, создают ток базы IБ.
Подвоздействием обратного напряжения Ек, потенциальный барьер коллекторного переходаповышается, а толщина перехода П2 увеличивается. Вошедшие в область коллекторного перехода дырки попадают в ускоряющееполе, созданное на переходе коллекторным напряжением, и втягиваютсяколлектором, создавая коллекторный ток Iк.Коллекторный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, -Ек.
Такимобразом, в биполярном транзисторе протекает три вида тока: эмиттера, коллектора и базы.
Впроводе, являющемся выводом базы, токи эмиттера и коллектора направленывстречно. Ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: IБ = IЭ − IК.
Физическиепроцессы в транзисторе типа n-р-n протекают аналогичнопроцессам в транзисторе типа р-n-р.
Полныйток эмиттера IЭ определяетсяколичеством инжектированных эмиттером основных носителей заряда. Основная частьэтих носителей заряда достигая коллектора, создает коллекторный ток Iк. Незначительная часть инжектированных в базу носителейзаряда рекомбинируют в базе, создавая ток базы IБ. Следовательно, ток эмиттера разделятсяна токи базы и коллектора, т.е. IЭ= IБ + Iк.
Выходнойток транзистора зависит от входного тока. Поэтому транзистор- прибор,управляемый током.
Изменениятока эмиттера, вызванные изменением напряжения эмиттерного перехода, полностьюпередаются в коллекторную цепь, вызывая изменение тока коллектора. А т.к.напряжение источника коллекторного питания Ек значительно больше, чем эмиттерного Еэ, то и мощность,потребляемая в цепи коллектора Рк, будет значительно больше мощности в цепи эмиттера Рэ. Таким образом,обеспечивается возможность управления большой мощностью в коллекторной цепитранзистора малой мощностью, затрачиваемой в эмиттерной цепи, т.е. имеет местоусиление мощности.
Схемы включения биполярных транзисторов
Транзистор, в схему включают так, что один из его выводовявляется входным, второй – выходным, а третий – общим для входной ивыходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различаюттри схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяютсялишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включениятранзистора, полярность включения источников питания должнабыть выбрана такой, чтоб эмиттерный переход был включен в прямом направлении, аколлекторный – в обратном.
Статические характеристики биполярных транзисторов
Статическимрежимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходнойцепи.
Статическимихарактеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимостинапряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ).Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.
Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ
Входнойхарактеристикой является зависимость:
IЭ = f(UЭБ) при UКБ= const (а).
Выходнойхарактеристикой является зависимость:
IК = f(UКБ) при IЭ= const (б).
Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схемеОБ. ВыходныеВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость Iк от UКБ; 2 – слабая зависимость Iк от UКБ; 3 – пробой коллекторного перехода. Особенностьюхарактеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличениинапряжения UКБ.
Характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ:
Входнойхарактеристикой является зависимость:
IБ = f(UБЭ) при UКЭ= const (б).
Выходнойхарактеристикой является зависимость:
IК = f(UКЭ) при IБ= const (а).
Режим работы биполярного транзистора
Транзисторможет работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. Приработе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а наколлекторном – обратное.
Режим отсечки, или запирания,достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n– перехода закрыты).
Если же на обоих переходах напряжениепрямое (оба р-n– переходаоткрыты), то транзистор работает в режиме насыщения. В режиме отсечки и режиме насыщенияуправление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управлениеосуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функцииактивного элемента электрической схемы – усиление, генерирация.
усилительный каскад на биполярном транзисторе
Наибольшееприменение находит схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером. Основнымиэлементами схемы являются источник питания Ек, управляемый элемент – транзистор VT и резистор Rк. Эти элементы образуют выходнуюцепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого токасоздается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Другиеэлементы схемы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор Ср является разделительным. При отсутствии этогоконденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток отисточника питания Ек.
РезисторRБ, включенный в цепьбазы, обеспечивает работу транзистора при отсутствиивходного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя IБ =Ек/RБ. Спомощью резистора Rк создается выходноенапряжение. Rк выполняет функциюсоздания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в нейтока, управляемого по цепи базы.
Дляколлекторной цепи усилительного каскада можно записать следующее уравнение электрическогосостояния:
Ек = Uкэ + IкRк,
сумма падения напряжения на резисторе Rк и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДСисточника питания Ек.
Процессусиления основывается на преобразовании энергии источника постоянногонапряжения Ек вэнергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивленияуправляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.
