Биполярные транзисторы

Транзистор – это трех электродный полупроводниковый прибор, который содержит передающие области с разным типом проводимости и служит для усиления электрического сигнала. Усиление сигнала транзисторов происходит за счет изменения электрического сопротивления под действием управляющего сигнала.

Транзисторы бывают:

– биполярные (БТ)

– полевые (униполярные) (ПТ).

1. Определение и структура биполярного транзистора

БТ имеет в своей структуре два p-n-перехода и 3 вывода. Ток в БТ создается движением носителей зарядов двух типов: основных и не основных.

Структура БТ:

УГО:

Выводы транзистора называются эмиттер (Э), коллектор (К) и база (Б). Соответственно называются и области у выводов.

Область базы намного тоньше коллекторной и эмиттерной области и концентрация основных зарядов очень мала. Концентрация основных носителей заряда самая большая.

П1 называется эмиттерным, а П2 – коллекторным.

В схемах усиления транзисторы всегда включаются так, чтобы к эмиттерному переходу было приложено прямое напряжение, а к коллекторному – прямое.

2. Принципы работы БТ

При подключении прямого напряжения к эмиттерному переходу возникает ток эмиттерный.

Дырки, образующие этот ток в эмиттерной области пересекают p-n-переход и попадают в область базы. В базе они не являются основными носителями зарядов. Поскольку область базы имеет малую ширину и низкую концентрацию основных носителей зарядов, то небольшая часть дырок, попав в базу через эмиттерную область, рекомбинирует с электронами. Образуется ток базы. Большая часть дырок пересекает базу и приближается к коллекторному переходу. К коллекторному переходу прикладывается обратное напряжение, намного большее, чем к эмиттерному переходу (раз в 20). Дырки, приблизившиеся к К переходу, подхватываются обратным напряжением и переносятся в область коллектора. Образующийся ток коллектора.

 

 

 

 

 

 

При этом .

мал, , где – коэффициент передачи тока.

– в большинстве случаев.

3. Усилительные свойства транзисторов

Усилительные свойства объясняются тем, что ток коллектора всегда много больше тока базы: . Если подавать переменное напряжение в цепь базы транзистора, то в соответствии с этим напряжением будет изменяться ток базы. За счет изменения сопротивления эмиттерного перехода. В свою очередь изменения сопротивления приводят к изменению тока эмиттера, а значит и тока коллектора. Причем изменение тока коллектора будет во много раз больше, чем изменение тока базы. Если цепь коллектора подключить к сопротивлению нагрузки, то мощность, выделяемая на нем будет во много раз больше мощности входного сигнала.

Следует иметь ввиду, что увеличение мощности выходного сигнала происходит за счет мощности внешних источников, которые являются источниками питания транзистора.

Принцип действия транзистора n-p-n типа аналогичен рассматриваемому только полярность источников питания изменится на противоположную.

4. Схемы включения БТ

В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим для двух внешних источников различают три схемы включения БТ:

- с общим эмиттером (ОЭ)

- с общей базой (ОБ)

- общим коллектором (ОК)

 

Схемы включения БТ p-n-p-типа такие же, только полярность источника противоположная.

Во всех схемах выделяют входную и выходную цепь, которые характеризуются своим током и своим напряжением.

Схема	Вход	Выход
ОЭ
ОБ
ОК

5. ВАХ БТ

Различают входные и выходные характеристики.

Входные: , при .

Выходные: , при .

Конкретный вид этих характеристик зависит от схемы включения транзистора, например для схемы с ОЭ:

Входные: , при .

Выходные: , при .

 

 

 

 

Входные характеристики определяют зависимость тока, протекающего через переход, к которому приложено прямое напряжение. Поэтому входная характеристика – прямая ветвь p-n перехода. Величина обратного напряжения, приложенного следующему p-n переходу влияет на этот ток:

Чем больше это обратное напряжение, тем меньше ток базы. Следует отметить, что это обратное напряжение влияет на характеристики незначительно, поэтому допустимо в качестве входной характеристики брать какое-либо одно.

Выходные характеристики определяют зависимость выходного тока от обратного напряжения, приложенного к переходу. Поэтому эти характеристики аналогичны обратной ветви ВАХ p-n-перехода. Влияние входного тока на эти характеристики здесь будет более значительное: чем больше входной ток, тем больше и выходной ток.

 

 

 

 

Если учесть что , то небольшие изменения входного тока приводят к существенным изменениям выходного.

Для входных характеристик используют понятие дифференциального сопротивления, аналогично полупроводниковому диоду, т. е.

На выходных характеристиках транзистора выделяют области:

– активной работы

– насыщения

– отсечки.

Область насыщения ограничивается характеристикой, при которых увеличение тока базы становится невозможным, из-за того, что все носители зарядов переносятся через переход и достигают следующего p-n-перехода.

Область отсечки определяется максимально допустимой мощностью коллекторного перехода.

6. Параметры биполярного транзистора

Свойства транзистора характеризуются их параметрами с помощью которых можно выбирать транзисторы, решать задачи, связанные с применением транзистора и рассчитывать схемы, содержащие транзисторы.

Для анализа работы транзистора в активном режиме допустимо представлять его в виде линейного четырехполюсника.

Уравнения, которые описывают работу такого четырехполюсника имеют вид:

– h-параметры транзистора, они однозначно определяют каждый транзистор и задаются в справочниках или рассчитываются по характеристикам транзистора.

Вид уравнений в h-параметрах и физический смысл h-параметров зависит от схемы включения биполярного транзистора.

Пример:

Схема с общим эмиттером (ОЭ):

Усиление сигнала транзистора заключается в том, что сигнал усиливается при своем изменении. То есть небольшое увеличение сигнала на входе приводит к большому изменению выходного сигнала. Следовательно, в уравнениях с h-параметрами вместо значений напряжений и токов берут их изменения:

И так далее.

h-параметры имеют конкретный физический смысл.

Пусть .

– дифференциальное входное сопротивление.

– коэффициент передачи тока.

Пусть

– коэффициент обратной связи по направлению.

– дифференциальная выходная проводимость.

Пример:

Для маломощных транзисторов до 0,3 Вт:

от 1000 до 10000 Ом

от 20 до 200 Ом

10-6 См

от до