Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих между собой p–n - перехода, называется биполярным транзистором. Устройство, обозначение и включение биполярных транзисторов n–р–n и p–n–р - типа показано на Рис. 1

Термин «биполярный транзистор» означает устройство, в котором используются носители заряда двух видов: электроны и дырки.

Рис. 1 Устройство, условное обозначение и включение биполярных транзисторов в активном режиме.

Основными материалами для изготовления биполярных транзисторов служат кремний, германий и арсенид галлия. По технологии изготовления они делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы – активные приборы, позволяющие усиливать, генерировать и преобразовывать электрические колебания в широком диапазоне частот и мощностей. В соответствии с этим их можно разделить на низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (3–30 МГц), высокочастотные (30–300 МГц), сверхвысокочастотные (более 300 МГц). По мощности их можно разделить на маломощные (не более 0,3 Вт), средней мощности (0,3–1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт).

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общей точкой действия входного и выходного напряжений, различают три основные схемы включения БТ: схема с общим эмиттером, схема с общей базой и схема с общим коллектором, называемая также эмиттерным повторителем.

Принцип работы, характеристики и параметры биполярных транзисторов удобно рассматривать на примере широко используемой на практике схемы включения транзистора с общим эмиттером Рис. 2. Эта схема дает наибольшее усиление по току, напряжению и по мощности. На схеме показаны включенные в цепи базы источник питания  с резистором  для задания режима работы транзистора по постоянному току и источник питания  цепи коллектора с нагрузочным резистором .

В зависимости от того, какие напряжения действуют на переходах, различают 3 режима работы транзистора:

1. активный режим работы или режим усиления, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном;

2. режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направлении;

3. режим отсечки, когда оба перехода смещены в обратном направлении;

Рис. 2 Включение биполярного транзистора n–р–n - типа по схеме с общим эмиттером.

Принцип работы биполярного транзистора заключается в том, что незначительный по величине ток базы , возникающий при подаче прямого напряжения  на переход эмиттер-база, вызывает значительные изменения тока эмиттера  и тока коллектора . Это обусловлено сильной инжекцией электронов из эмиттера, которые втягиваются полем обратно смещенного коллекторного перехода. Ток коллектора при этом определяется выражением

где  – статический коэффициент передачи тока базы, значительно превышающий по величине единицу.

Ток коллектора  связан с напряжением на переходе база-эмиттер уравнением Эберса – Молла.

где  – обратный ток коллекторного переходφа, Т – температурный потенциал, составляющий для кремния при температуре Т =300 К примерно 26 мВ.

Токи эмиттера, коллектора и базы транзистора связаны соотношением:

Зависимость между входными и выходными токами и напряжениями в транзисторах определяется семействами входных и выходных статических вольт - амперных характеристик Рис. 3.

Рис. 3 Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора n–p–n -типа в схеме с общим эмиттером

Входные характеристики  (Рис. 3, а) снимаются при постоянных выходных напряжениях коллектор-эмиттер  = const. При  = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. При > 0 характеристика сдвигается вправо на величину так называемого порогового напряжения , различающегося у германиевых и кремниевых транзисторов.

Семейство выходных ВАХ  (Рис. 3, б) снимается при различных токах базы  = const.

К основным предельным параметрам БТ относятся максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер , максимальный постоянный ток коллектора и максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе . При определенных применениях БТ необходимо учитывать и предельно допустимое значение обратного напряжения перехода эмиттер – база , также приводимое в справочных данных.