Вопрос 4 – Биполярный транзистор. Принцип действия, схемы включения, характеристики

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух сортов (электроны и дырки).

Биполярный транзистор (БТ) состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора (рис. 5.1).

Переход, который образуется на границе эмиттер – база, называется эмиттерным, а на границе база – коллектор – коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-р и n-р-n.

Область транзистора, расположенная между переходами, называется базой (Б).

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а соответствующий переход – эмиттерным.

Область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором (К), а переход – коллекторным.

Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рис. 5.1.

 

 

Рис. 5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение:

а - p-n-p -типа; б - n-p-n -типа; в – распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W - толщина базы

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

- режим отсечки – оба p-n -перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

- режим насыщения – оба p-n -перехода открыты;

- активный режим – один из p-n -переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.

Схемы включения транзистора

Различают три схемы включения транзистора в зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входного и выходного сигналов (рис. 5.4): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Первый закон Кирхгофа применительно к транзистору дает равенство

 

, (5.1)

 

то есть ток эмиттера в транзисторе распределяется между базой и коллектором.

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы нагрузки обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току.

 

Рис. 5.4. Основные схемы включения транзисторов

Для схем с ОБ входным током является ток эмиттера, выходным – ток коллектора. Так как эмиттерный переход находится в открытом состоянии, то входное сопротивление схемы – сопротивление эмиттер–база (R_вх = U_вх / I_{в х}) будет малым (единицы – десятки Ом).

Для схемы с ОЭ входным током является базовый ток, а выходным током коллекторный. Входное сопротивление в этой схеме будет примерно на два порядка больше, чем в схеме с ОБ:

 

.

Для схемы с ОК входным током является ток базы, а выходным током служит ток эмиттера. Тогда коэффициент усиления по току К_I = DI_э/[DI_э (1 –a) ] = 1 / (1 –a) будет наибольший. Входное сопротивление транзисторов в схеме с ОК

 

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция