Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой трехэлектордный полупроводниковый электронный прибор, состоящий из трех чередующихся областей с электропроводностями n - и p -типа. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа. Их структура и условное графическое обозначение (УГО) показано на рис.3.8. Средний тонкий слой транзистора, толщина которого меньше одного микрометра, называется базой (Б). База легирована слабее чем два крайних слоя (коллектор (К) и эмиттер (Э)). Стрелка в УГО обозначает эмиттер, который является источником носителей заряда. Направление стрелки указывает положительное направление протекания постоянного тока.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух p-n переходов: эмиттерного (переход эмиттер-база) и коллекторного (переход база-коллектор). Принцип действия рассмотрим на примере биполярного транзистора

n-p-n типа. Обычно используется активный режим работы транзистора (система действующих в нем напряжений и токов показана на рис. 3.9). В этом режиме на эмиттерный переход подается прямое напряжение (U_БЭ >0) для обеспечения режима инжекции, а на коллекторный переход – обратное напряжение(U_КЭ > U_БЭ), что обеспечивает его работу в режиме экстракции.

Рис. 3.8. Структурная схема и условное графическое обозначение

биполярных транзисторов

Рис. 3.9. Система напряжений и токов, действующих в биполярном транзисторе

При =0 и >0 эмиттерный и коллекторный переходы закрыты, в транзисторе протекает обратный ток , обусловленный неосновными носителями заряда. Этот ток очень мал и не управляем.

При >0 эмиттерный переход открыт и поток электронов инжектирует из области эмиттера в базу. В базе электроны являются неосновными носителями. Здесь они частично рекомбинируют с дырками, в результате чего возникает базовый ток . Так как база с малым содержанием примеси тонкая, то основная часть электронов (до 99%) за счет диффузии попадает на границу коллекторного перехода. У закрытого коллекторного перехода неосновные носители базы (электроны) попадают в ускоряющее поле и втягиваются (экстрагируют) в область коллектора, образуя коллекторный ток транзистора. Величина коллекторного тока пропорциональна эмиттерному току: , где =0,99 – коэффициент передачи эмиттерного тока. Так как эмиттерный ток является суммарным током цепей базы и коллектора , то базовый ток можем представить как . Определив коэффициент передачи транзистора по току как , убеждаемся, что .

Таким образом, биполярный транзистор представляет собой управляемый электронный прибор, так как изменением напряжения можно изменять количество электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, а следовательно и управлять эмиттерным током. Поскольку в активном режиме i_к > i_Б и , то мощность, выделяемая в коллекторной нагрузке может быть значительно больше мощности, затрачиваемой в цепи базы, т.е. транзистор обладает эффектом усиления.

Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

Биполярный транзистор – трехполюсник, и поэтому один из выводов транзистора при включении в схему является общим для входа и выхода. Различают включение транзистора в схему различным образом: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой. Наиболее часто используется включение транзистора по схеме с общим эмиттером, для которой входными величинами являются базовый ток и напряжение между базой и эмиттером , а выходными – коллекторный ток и напряжение между коллектором и эмиттером . Поскольку транзистор является нелинейным элементом цепи, то его электрическое состояние описывается двумя семействами статических вольт-амперных характеристик (ВАХ), приведенными на рис. 3.10. Первое семейство кривых определяет зависимость тока базы i_Б от напряжений на базе и на коллекторе , представленную графиками i_Б = f₁(U_БЭ), где является параметром семейства. Эти характеристики называют входными (или базовыми).Второе семейство кривых определяет зависимость тока коллектора i_К от тех же напряжений и , представленную графиками i_К = f₂(U_КЭ). Здесь параметром является напряжение на базе . Эти характеристики называют выходными (или коллекторными).

Входные характеристики транзистора (рис. 3.10а) формируются описанными выше процессами в p-n переходе при его включении в прямом направлении. Если напряжение = 0, то в транзисторе осуществляется диодный режим работы, и тогда входная характеристика совпадает с участком 1 на графике ВАХ p-n перехода, представленном на рис. 3.4, и описывается формулой (3.2). Если напряжение > 0 и превышает по величине , тогда коллекторный p-n переход, включенный в обратном направлении, своим электрическим полем в переходе обеспечивает дрейф неосновных носителей – электронов – из области базы в область коллектора. Происходит перераспределение носителей зарядов – при той же величине напряжения на базе по мере увеличения напряжения на коллекторе ток базы i_Б уменьшается. Соответствующие кривые на графике проходят ниже первой зависимости, сохраняя свой вид.

Рис. 3.10. Семейства вольт-амперных характеристик биполярного транзистора:

а) входные характеристики;

б) выходные характеристики

Выходные характеристики транзистора (рис. 3.10б) определяются процессами в коллекторном p-n переходе, который при указанных условиях включен в обратном направлении. Ток коллектора i_К, обусловленный дрейфом неосновных носителей (электронов), слабо зависит от коллекторного напряжения и определяется напряжением , приложенным к базовому переходу. Поэтому при > графики имеют близкие к горизонтальным участки, которым и соответствует высокое дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.

Таким образом, при указанных полярностях внешних источников напряжения в цепях базы и коллектора изменением напряжения на эмиттерном переходе биполярного транзистора можно регулировать величину тока в коллекторной цепи.

Дата добавления: 2014-11-16