Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

   Биполярный транзистор представляет  собой полупроводниковый прибор, имеющий два электронно-дырочных  перехода, образованных в одном  монокристалле полупроводника. Эти  переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь. 
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.  

Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р. 
   Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм. 
   При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Различают три режима работы транзистора: 1) режим отсечки — оба перехода и, соответственно, транзистор полностью закрыты; 2) режим насыщения — транзистор полностью открыт;3) активный режим — это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор попеременно то полностью   открыт,   то   полностью   заперт   с   частотой импульсов, поступающих на его базу. Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные каскады усилителей мощности. 
   Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины, которое называется напряжением смещения (U см.) Транзистор приоткрывается и через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора.  

  Режимы работы биполярного  транзистора

  Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (IЭБО) И коллектора (IКБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).    

 Если эмиттерный и коллекторный  р-n-переходы подключить к внешним  источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками UЭБ и UКБ. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).  

 
    Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора. 
    При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

 Под действием прямого напряжения UЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора  IКp не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому IKp= h21Б Iэ 
    Величина h21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов  h21Б = 0,90...0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток IКБО, образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой  

Iк =h21БIэ + IКБО 
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток IБ.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы 
IБ = IБ.рек — IКБО 
    В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.  

Схемы включения биполярного транзистора

 
    В предыдущей схеме электрическая  цепь, образованная источником UЭБ, эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником UКБ, коллектором и базой этого же транзистора,— выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».

 
На  следующем рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ».  

В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора IК, незначительно отличающийся от тока эмиттера Iэ, а входным — ток базы IБ, значительно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами IБ и IК в схеме ОЭ определяется уравнением: IК= h21ЕIБ + IКЭО 
   Коэффициент пропорциональности h21Е называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера h21Б 
h21Е = h21Б / (1 —h21Б) 
   Если h21Б находится в пределах 0,9...0,998, соответствующие значения h21Е будут в пределах 9...499. 
    Составляющая Iкэо называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1+h21Е раз больше, чем IКБО, т. е.IКЭО=(1+h21Е )IКБО. Обратные токи IКБО и IКЭО не зависят от входных напряжений UЭБ и UБЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружающей среды и определяют температурные свойства транзистора. Установлено, что значение обратного тока IКБО удваивается при повышении температуры на 10 °С для германиевых и на 8 °С для кремниевых транзисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обратного тока IКЭО могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока IКБО и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора. 
    На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор . Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК» (эмиттерный повторитель).  

 
    Независимо от схемы включения  транзистора для него всегда  справедливо уравнение, связывающее  токи его электродов: 
Iэ = Iк + IБ.  

Сравнительная оценка схем включения биполярных транзисторов

KI - коэффициент усиления по току

KU - коэффициент усиления по напряжению

KP - коэффициент усиления по мощности