Теоретичні відомості. Біполярний транзистор – напівпровідниковий прилад, який має два р-n-переходи

Біполярний транзистор – напівпровідниковий прилад, який має два р-n-переходи. Схематично будову такого транзистора показано на рис. 8.6.1.

Рис. 8.6.1

Виготовляються транзистори із пластинок кремнію або германію, в яких створюються шляхом напилення три області з різною електро­провідністю. Тип провідності центральної зони, яка називається базою, іншого типу провідності крайніх областей, які називаються емітером і колектором. Якщо база має провідність р-типу, то колектор і емітер мають провідність n-типу. Такого виду транзистор належить до n-р-n-типу. Широко використовуються також транзистори р-n-р-типу, база яких має електронну провідність.

В залежності від напруги на р-n-переходах транзистор може працювати в трьох режимах: активному, якщо на емітерному переході пряма напруга, а на колекторному – зворотна; режим відсікання – при зворотних напругах на обох р-n-переходах; режим насичення – при прямих напругах як на емітерному, так і на колекторному переходах. Активний режим роботи транзистора є основним і використовується для створення більшості підсилювачів і генераторів електромагнітних коливань.

Розглянемо роботу транзистора n-р-n-типу в активному режимі без навантаження, коли ввімкнені лише джерела постійних напруг так, як показано на рис. 8.6.2, в цьому випадку напруги U₁»0, 1 В і U₂»1, 0 В.

Рис. 8.6.2

Із рис. 8.6.2 видно, що

(1)

де – напруги відповідно між колектором і емітером, колектором і базою, базою і емітером. Оскільки , то . Пряма вхідна напруга приводить до зменшення висоти потенціального бар'єра на емітерному переході, внаслідок чого зростає дифузійний струм і електрони із емітера переходять в область бази. Електрони, які є в області бази неосновними носіями, за рахунок теплового руху досягають колекторного переходу. В області колекторного переходу ці електрони під дією поля зовнішнього джерела створюють колекторний струм і_К.

Деяка кількість електронів, перебуваючи в області бази, може рекомбінувати з дірками цієї області. Для зменшення процесу рекомбінації електронів в області бази товщину бази виготовляють якомога тоншою із мінімальною концентрацією дірок. При встановленні режиму роботи транзистора кількість дірок в області бази залишається незмінною. Це досягається тим, що з області бази також переходить деяка кількість власних електронів. Це приводить до виникнення струму і_d. Згідно з першим законом Кірхгофа.

, (2)

і оскільки в силу уже викладених вище причин , можна записати, що .

Струм бази е небажаним, тому для його зменшення база виготовляється дуже тонкою і слабко легується.

Пряма напруга на емітерному переході U_de суттєво впливає на струм колектора: чим більша U_de, тим більші струми емітера і колектора, причому зміна струму колектора лише незначно відрізняється від струму емітера. Таким чином, напруга U_de, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Ця особливість роботи транзистора використовуєтьсядляпідсилення електромагнітних хвиль.

Струм емітера керується напругою на емітері, але колектора досягає дещо менший струм. Частина емітерного струму, що проходить через колектор, носить назву струму керування колектора. Причому

, (3)

де a=0, 95¸ 0, 98 – коефіцієнт передачі струму емітера.

Поряд з струмом керування через колектор проходить зворотний струм і_КО переходу база – колектор. Він не керується, тому що не проходить через емітер. Отже, повний струм колектора дорівнює:

(4)

Використовуючи співвідношення (2), матимемо;

(5)

Звідки:

(6)

де початковий прохідний струм.

Оскільки , то цей струм протікає через всі три області транзистора. В співвідношенні (6) — коефіцієнт передачі струму бази.

Струми транзистора схематично зображені на рис. 8.6.3.

Транзистор вмикається в коло таким чином, щоб один із його електродів був спільним для входу і виходу підсилювального або іншого каскаду. Основні схеми включення називаються відповідно із спільним емітером, спільною базою і спільним колектором. Схема включення із спільною базою показана на рис. 8.6.4, де U_вx — вхідна змінна напруга, амплітудою U_mаx; U_виx — вихідна напруга амплітудою U_mвиx. Остання напруга знімається з навантажувального резистора R_н.

Рис. 8.6.3

Коефіцієнт підсилення за струмом

(7)

де і_mk — максимальний струм колектора; і_mе — максимальний струм емітера.

Цей коефіцієнт дещо менший статичного коефіцієнта підсилення за струмом a, тому що при включенні R_н струм колектора зменшується. Коефіцієнт підсилення за напругою К_U розраховується за формулою

(8)

і досягає десятків і сотень одиниць. Характеристики транзистора відображають залежність вхідних і вихідних струмів від вхідних і вихідних напруг.

Рис. 8.6.4

В схемі зі спільною базою вхідний струм – струм емітера, вихідний струм – і_K, вхідна напруга — U_ed, вихідна напруга — U_Kd. Вхідні характеристики — залежності i_e=f(U_ed) при U_Kd=const. Вхідні характеристики показані на рис. 8.6.5.

Рис. 8.6.5

Вхідні характеристики слабо залежать від U_Kd, тому що напруга сконцентрована на колекторному переході і струм емітера в основному визначається U_ed. Сім'я вихідних характеристик зображена на рис. 8.6.6.

Рис. 8.6.6

Особливість їх в тому, що струм колектора досить великий навіть при U_Kd=0. Це пояснюється напругою на колекторному переході, яка обумовлена наявністю опору базової області. Крім вхідних і вихідних характеристик на практиці використовуються характеристики керування. Це залежності і_K=f(і_е) при U_Kd=const і i_K=f(U_ed) при U_Kd=const. Вони схематично зображені на рис. 8.6.7 і 8.6.8.