Материал: 2072

Название «биполярный» обусловлено тем, что в работе транзистора участвуют носители заряда обеих полярностей (электроны и дырки).

Основой транзистора является кристалл кремния или германия с созданными в нем двумя p–n-переходами. Структура такого кристалла p–n–p-типа, изготовленного по сплавной технологии, показана на рис. 6.2.

Бгой. Эта область называется эмиттером, а другая – коллектором. Средняя

область n-типа обладает наименьшей концентрацией примесей (доноров). Эта область называется базой. От

эмиттера, базы, коллектора делаются выводы. Широко применяют также транзисторы типа p–n–p, в которых средняя область обладает дырочной проводимостью, а две другие – электронной.

В соответствии с концентрацией примесей база является высокоомной областью, коллектор – низкоомной, а эмиттер – самой низкоомной. Толщина базы мала (единицы микрометров), площадь p–n-перехода между коллектором и базой в несколько раз больше площади перехода между эмиттером и базой. Первый переход называется коллекторным, второй – эмиттерным.

Для работы транзистора в режиме усиления электрических сигналов к эмиттерному переходу должно быть приложено прямое напряжение, к коллекторному – обратное. Если на эмиттерном переходе нет прямого напряжения, то в коллекторной цепи протекает обратный ток коллекторного перехода, который обычно много меньше рабочих токов.

В устройствах с транзистором чаще всего создают две цепи. Входная цепь служит для управления транзистором, в нее включают источник входного сигнала. В выходной цепи получают усиленные сигналы, в нее включают нагрузку. Существуют три основные схемы включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором

(рис. 6.3).

66

в

Рис. 6.3. Схемы включения p–n–p-транзистора в режиме усиления малых сигналов: а – с общей базой; б – с общим эмиттером; в – с общим коллектором

6.2. Физические процессы в биполярном транзисторе

Рассмотрим работу транзистора типа n–p–n, включенного по схеме с общим эмиттером, в режиме без нагрузки (Rн = 0) (рис. 6.4).

Полярность источников Е1 и Е2 такова, что на эмиттерном переходе действует прямое, а на коллекторном – обратное напряжения. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода очень мало и требуется небольшое, порядка десятых долей вольта, напряжение E1, чтобы создать ток базы для управления транзистором. Сопротивление коллекторного перехода велико, поэтому напряжение E2 может составлять единицы или десятки вольт. Принцип работы транзистора заключается в том, что малое прямое напряжение, поданное на эмиттерный переход, существенно влияет на ток эмиттера и коллектора. При этом ток коллектора лишь незначительно отличается от тока эмиттера (на величину тока базы). Усиление электрических сигналов с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе, например типа n–p–n, происходят следующим образом (см. рис. 6.4). При прямом напряжении на эмиттерном

67

переходе понижается его потенциальный барьер и электроны инжектируются из эмиттера в область базы, создавая ток эмиттера iэ .

Рис. 6.4. Движение электронов и дырок в транзисторе n–p–n-типа

Так как ширина (10 – 20 мкм) базовой области соизмерима с шириной p–n коллекторного перехода, то электроны, попавшие в базовую область, взаимодействуют с коллекторным переходом, при котором они относятся к неосновным носителям. Большая часть электронов путем экстракции втягивается электрическим полем потенциального барьера в коллекторный переход и диффундирует далее в область коллектора, создавая ток коллектора iк .

Значительно меньшая часть электронов в результате рекомбинации с дырками создает ток в цепи базы iб . Поэтому ток эмиттера и ток коллек-

тора различаются по величине. Коэффициент , показывающий, какая часть тока эмиттера проходит в коллектор, называют коэффициентом передачи транзистора по току. Обычно = 0,95 – 0,99.

Эмиттер и коллектор можно поменять местами. Но так как площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного, то транзистор в таком инверсном включении будет иметь меньшую допустимую мощность.

68

При повышении напряжения E2 растет ширина коллекторного перехода, и, следовательно, уменьшается толщина базы. Это может вызвать линейное размножение подвижных носителей зарядов, резкое увеличение обратного тока и в конечном счете – пробой, а кроме того, привести к исчезновению базы, т.е. к смыканию областей эмиттера и коллектора. Тогда транзистор перестанет нормально работать. Указанные факторы ограничивают возможности создания высоковольтных транзисторов. Обычно

E2 (40 – 160) В.

Следует также иметь в виду, что через переход «коллектор – база» протекает небольшой, порядка нескольких микроампер, обратный ток iкбо, как в обычном диоде при обратном напряжении. Поэтому ток коллектора складывается из двух составляющих:

Величина 1 называется коэффициентом усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. При = 0,95 – 0,99 величина может составлять несколько десятков.

Величину iкэо iкбо 1 iкбо называют сквозным током транзистора. Он в несколько десятков раз превышает обратный ток перехода между коллектором и базой iкбо.

Отметим, что величины и iкэо сильно зависят от температуры. Под-

ному переходу в прямом направлении. Это явление отсутствует при закороченных выводах базы и эмиттера. Поэтому весьма опасно обрывать цепь базы, так как при большом сквозном токе iкэо лавинообразно разогревается транзистор и возможен пробой. На практике при испытании транзисторов

69

принято вначале подключать источник напряжения E1, а затем E2. Отключают источники в обратной последовательности.

6.3. Статистические характеристики биполярных транзисторов

Статические характеристики транзисторов снимают на постоянном токе при отсутствии нагрузки. Они отражают зависимости между токами и напряжениями на входе и на выходе в различных схемах включения транзисторов. Их используют для практических расчетов транзисторных усилителей электрических сигналов.

В транзисторах взаимно связаны входные и выходные токи и напряжения, поэтому одним семейством характеристик эти зависимости показать нельзя. Необходимо два семейства характеристик: входных и выходных.

Для каждой из схем включения транзистора существует свое семейство характеристик. Характеристики для схем с общим коллектором (ОК) и с общим эмиттером (ОЭ) совпадают, так как при Rн = 0 эти схемы становятся одинаковыми (см. рис. 6.3).

На рис. 6.5 приведена схема для снятия статических характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. На рис. 6.6 показаны выходные, а на рис. 6.7 – входные характеристики для транзистора небольшой мощности.

Рис. 6.5. Схема для снятия статических характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ, представляет собой зависимость тока коллектора Iк от напряжения между коллектором и эмиттером Uкэ при постоянном токе базы Iб = const. Набор таких характеристик, снятых при различных значениях постоянного тока базы, образует семейство выходных характеристик. Их называют также коллекторными. В схеме с ОЭ эти характеристики выходят из нуля при любом значении тока базы. Это объясняется тем, что при Uкэ 0 эмиттер

70