Принцип действия биполярных транзисторов

 

Одной из возможных схем подключения внешних источников напряжения к транзистору является схема с ОБ, когда база заземлена, и напряжение на коллекторе и эмиттере отсчитывается относительно земли. К эмиттеру относительно базы подключается Uэб в прямом направлении, а к коллектору Uкб в обратном направлении. Значит, эмиттер открыт, а коллектор закрыт (активный режим работы транзистора).

При прямом смещении эмиттерного n-p перехода снижается потенциальный барьер в этом переходе и начинается диффузионное движение дырок через ЗС в базу, а электроны движутся из базы в эмиттер. Но концентрация дырок в эмиттере выше концентрации электронов в базе. Вследствие инжекции дырок из эмиттера в базу их концентрация в базе растет. Образовавшийся вблизи ЗС эмиттерного перехода в базе объемный положительный заряд компенсируются за счет электронов приходящих в базу от источника Uэб.

Электроны устремляются к эмиттерному переходу и создают объемный отрицательный заряд, компенсирующий заряд, образованный дырками. Вблизи эмиттерного перехода имеется область повышенной концентрации электронов и дырок. Вследствие разности концентраций возникает диффузионное движение дырок и электронов к коллектору. В транзисторах ширина базы выбирается такой, чтобы при существенной концентрации электронов и дырок, и скорости дырок, время их жизни превышало время пребывания в базе.

Незначительная часть дырок в базе рекомбинируется, но 99% не успевает рекомбинироваться. Вблизи коллекторного перехода они попадают в его поле, которое является ускорительным для дырок и втягивает их в коллектор. Такой процесс называется экстракцией дырок. Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших в коллектор под влиянием _кб, устремляются к базовому выводу, а следовательно замыкается цепь тока эмиттера и коллектора.

Ток, текущий через эмиттерный переход, будет являться управляющим током. От его величины зависит значение коллекторного тока (управляемого). Ток базы представляется разностью управляющего тока и управляемого, так как основные носители базы при компенсации движения дырок через эмиттерный и коллекторный переходы, движутся в разных направлениях в выводе базы.

Сопротивление эмиттерного перехода, смещенного в прямом направлении, небольшое. Эмиттерный и коллекторные токи растут по экспоненте Uэб. Изменение напряжения Uкб выше определенного предела (0, 5В) не должно вызывать изменений тока Iк, т.к. Uобр=0, 5В. Все неосновные носители зарядов участвуют в создании обратного тока коллекторного p-n перехода.

Если в цепь эмиттер-база помимо источника постоянного напряжения включить источник переменного напряжения u=Um sin wt, то ток эмиттера и ток коллектора будет меняться в такт с этим напряжением.

Если в цепь коллектора включить Rн, то на нем можно выделить усиление напряжения сигнала с частотой , но амплитудой > > амплитуды сигнала.

Изменение напряжения коллектора будет вызывать изменения на коллекторном переходе, но влияние этого изменения на очень мало.

 

Режимы работы.

 

--Активный

эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном

 

--Отсечки

коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении

 

--Насыщения

оба смещены в прямом направлении (в базу инжектируются носители со стороны Э, К)

 

--Инверсный

эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный в прямом

 

Токи в транзисторе

 

При рассмотрении принципа работа транзистора установили, что в активном режиме дырки, инжектированные из эмиттера, движутся в базе под действием градиента концентраций и втягиваются полем коллекторного перехода, образуя ток через прибор.

Цепь эмиттерного тока замыкается через выводы базы и эмиттера, а цепь коллекторного тока замыкается через выводы базы и коллектора. Вследствие рекомбинации носителей в базе и других причин: Iк< Iэ.

На основе закона Кирхгофа:

Пусть =Iк/Iэ, где - коэффициент передачи эмиттерного тока.

Ток через выводы базы мал. Во многих случаях применимо: Iк Iэ

 

Рассмотрим составляющие токов Iэ, Iк для коллекторного и эмиттерного переходов отдельно

Каждый из этих переходов представляет собой полупроводниковый переход. Запишем уравнение, которое описывает ВАХ перехода:

 

, - прямые токи

, –обратные токи

В теории транзисторов в качестве обратных токов эмиттерного и коллекторного переходов используют: , измеренные в условиях холостого хода, когда =0 и =0

Эти токи меньше соответственно Iкn, Iэn и связаны:

 

 

инв.- коэффициент передачи тока в случае инверсного включения транзистора (когда коллекторный переход открыт, а эмиттерный переход закрыт)

Схемы включения биполярного транзистора

 

Различают три схемы включения БТ:

· с общей базой (ОБ)

· с общим эмиттером (ОЭ)

· с общим коллектором (ОК)

Общим называется электрод, если он включен одновременно во входной и в выходной контур, т.е. к нему одновременно подключены и источник сигнала, и нагрузка.

Управление токами в БТ можно осуществлять как постоянным, так и переменным токами. С помощью постоянного источника задается рабочий режим транзистора и затем на входные электроды подаются переменные сигналы, которые усиливаются по мощности с помощью транзисторных схем и выводятся на нагрузку.

 

С общей базой

В этой схеме напряжение на эмиттерном и коллекторном выводах отсчитывается относительно базы, потенциал которой равен 0.

Входной ток-

Входное напряжение-

Выходной ток-

Выходное напряжение-