Биполярные транзисторы

Транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор служащий для усиления мощности электрических сигнален Кроме усиления транзисторы используют для генерирования сигналов, их различных преобразований и решения других задач электронной техники.

Различают два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Название биполярного транзистора объясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов двух знаков - отрицательных и положительных (электронов и дырок). Термин же транзистор происходит от английских слов transfer - переносить и resistor- сопротивление, т.е. в них происходит изменение сопротивления под действием управляющего сигнала.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводников типа «р» и «n», между которыми образуются два р-п перехода. В соответствии с чередованием слоев с разной электропроводностью биполярные транзисторы подразделяют на два типа: р-п-р и п-р-п. У транзистора имеются три вывода (электрода): эмиттер (э), коллектор (к) и база (б). Эмиттер и коллектор соединяют с крайними областями (слоями), имеющими один и тот же тип проводимости, база соединяется со средней областью. Напряжение питания подают на переход «эмиттер - база» в в прямом направлении, а на переход «база - коллектор» - в обратном направлении.

По диапазонам используемых частот транзисторы делятся на низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц). По мощности транзисторы делятся на малой мощности (до 0,3Вт), средней мощности (от 0,3Вт до 1,5 Вт), большой мощности (свыше 1,5 Вт).

При подключении эмиттера транзистора типа р-п-р к положительному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток 1_Э. Стрелкой указано движение носителей заряда. Дырки преодолевают переход и попадают в область базы, для которой дырки не являются основными носителями заряда. Дырки частично рекомбинируют электронами базы. Так как напряжение питания коллектора во много раз (приблизительно в 20 раз) больше, чем напряжение питания базы, и конструктивно слой базы выполняется очень тонким, то электрическое сопротивление цепи базы получается высоким и ток, ответвляющийся в цепь базы I_б, оказывается незначительным. Большинство дырок достигают коллектор, образуя коллекторный ток I_к.

Ток коллектора 1_К превосходит ток базы 1_б от 20 до 200 раз. Это объясняет возможность усиления с помощью транзистора тока и, соответственно, мощности сигнала во много раз. Действительно, если подавать напряжение сигнала в цепь базы, то в соответствии с напряжением сигнала будет изменяться сопротивление p-n-перехода между эмиттером и базой. Это изменяющееся сопротивление включено в коллекторную цепь, что приведет к соответствующему изменению тока коллектора, который во много раз больше тока базы.

Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, в нем будет выделяться мощность, во много раз большая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы.

Вольт-амперные характеристики транзистора различаются в зависимости от схемы его включения: с общим эмиттером, с общей базой, с общим коллектором.

Различают следующие виды ВАХ.

Свойства транзисторов характеризуются их параметрами, с помощью которых можно сравнивать качество транзисторов, решать задачи, связанные с применением |транзисторов в различных схемах, и рассчитывать эти схемы.

h-параметры транзистора определяют, рассматривая транзистор как четырехполюсник, т.е. прибор, имеющий два входных и два выходных зажима. Они связывают входные и выходные токи и напряжения, справедливы только для нормального режима работы транзистора и малых амплитуд сигналов и могут быть определены экспериментально или по входной и выходным характеристикам.

h-параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером:

Входное сопротивление для переменного тока

h₁₁ = DU_бэ/DI_б при U_кэ = const

для маломощных транзисторов h₁₁ = 1000 ÷ 10000 Ом, для транзисторов средней и большой мощности - h₁₁ = 50 ÷ 1000 Ом

Коэффициент усиления по току

h₂₁ = DI_к/DI_б при U_кэ = const

этот коэффициент изменяется от 20 до 200.

Выходная проводимость

h₂₂ = DI_к/DU_кэ при I_б = const

Для маломощных транзисторов h₂₂ = 10 ^{- 6 См, а для транзисторов средней и большой мощности} h₂₂ = 10 ^{- 4}÷10 ^{- 6 См. Выходную проводимость иногда заменяют выходным сопротивлением} R_вых = 1/ h₂₂

Иногда рассматривается коэффициент обратной связи по напряжению

h₁₂ = DU_бэ/DU_кэ при I_б = const

Величина h₁₂ примерно равна 2 ·10^-3 ÷ 2 ·10^-4и из-за малости часто не принимается во внимание.

Параметры биполярных транзисторов зависят от температуры окружающей среды.

Выделяют три области работы транзистора. При работе транзистора как усилителя эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Это - активная область работы, в которой транзистор можно считать линейным активным элементом. Область, в которой оба перехода смещены в обратном направлении, называют областью отсечки. Область, в которой оба перехода смещены в проводящем направлении, называют областью насыщения.