Принцип действия биполярных транзисторов

Рассмотрим работу плоскостного транзистора p-n-p типа в статиче­ском режиме, когда в цепи эмиттера и коллектора включены только по­стоянные напряжения E _Э и E _К (рис. 5).

Напряжение в цепи эмиттера не превышает нескольких вольт и по­дано так, что эмиттерный переход включен в прямом направлении. При таком подключении дырки из эмиттера относительно свободно попадают в базу, а электроны – из базы в эмиттер. Сопротивление эмиттерного перехода становится незначительным (десятки Ом).

Напряжение в цепи коллектора подается так, чтобы коллекторный переход находился в непроводящем состоянии. При этом область p-n перехода обедняется основными носителями, и сопротивление коллек­торного перехода становится большим (сотни КОм), а ток основных носи­телей в прямом направлении пренебрежимо мал. Тем не менее через коллекторный переход протекает небольшой ток в обратном направле­нии, обусловленный неосновными носителями.

Эмиттер в p-n-p транзисторе является источником дырок, поступаю­щих в базу, где дырки являются неосновными носителями заряда. Это явление называется инжекцией. Инжектированные эмиттером дырки со­здают эмиттерный ток I_Э. Дырки проходят через базу благодаря диффу­зии и доходят до коллекторного перехода, где они втягиваются в коллек­тор электрическим полем, образованным E _К. Этот процесс называется экстракцией. Ввиду малой толщины базы, большая часть инжектирован­ных эмиттером дырок проходит через базу, не успевая рекомбинировать с электронами базы, создавая в цепи коллектора ток I_К. Таким образом, имеем: I_Э = I_К + I_Б (I_Э ≈ I_К , т.к. I_Б мал по сравнению с I_Э и I_К).

Рассмотренная схема называется схемой с общей базой (ОБ), т.к. база включена как в цепь эмиттера, так и в цепь коллектора.

Схемы включения и характеристики
биполярных транзисторов

Различают три основных схемы включения биполярных транзисторов (рис. 6): с общей базой (ОБ) (а); с общим эмиттером (ОЭ) (б); с общим коллектором (ОК) (в).

Схема с ОБ характеризуется низким входным и высоким выходным сопро­тивлением, для схемы с ОЭ характерны относительно высокое входное и выходное сопротивления, схема с ОК характеризуется высоким входным и низким выходным сопротивлением. Общая точка входной и выходной цепей часто заземляется и тогда схемы называются соответственно с заземленными Б, Э, К. Все три схемы включения могут быть представ­лены обобщенной эквивалентной схемой. Через I₁ и U₁ обычно обозна­чают входной ток и входное напряжение, а через I₂ и U₂ – выходные ток и напряжение.

Статические характеристики транзистора показывают взаимосвязь между I₁, U₁, I₂, U₂.

При расчете схем за независимые параметры обычно принимают I₁ и U₂, а за функции – U₁ и I₂. В этом случае связь между входными и вы­ходными параметрами выражается семействами характеристик следую­щего вида:

1. U₁=f₁ (I₁) при U₂=const– входные характеристики.

2. I₂=f₂ (U₂) при I₁=const– выходные характеристики.

3. I₂=f₃ (I₁) при U₂=const– характеристики передачи по току.

4. U₁=f₄ (U₂) при I₁=const– характеристики обратной связи по напряжению.

Форма каждой из четырех характеристик зависит от схемы включения транзистора. Для схемы с ОБ обычно используют следующие вольт-ам­перные характеристики (ВАХ):

входные выходные

1. и 2.

Соответствующие характеристики для схемы с общей базой представ­лены на рис. 7.

Из входных характеристик видно, что изменение U_КБ вызывает слабое влияние на величину I_Э, изменение же U_ЭБ вызывает изменение кру­тизны характеристик. При малых U_ЭБ характеристики идут полого, т.к. R_Э еще велико, с увеличением же U_ЭБ ВАХ приобретают вид характеристик, соответствующих включению перехода в прямом направлении. Выходные характеристики в области отрицательных значений U_КБ идут с весьма незначительным наклоном, что объясняется тем, что вели­чина I_К определяется величиной I_Э, т.е. количеством дырок, инжектиро­ванных в базу. Малый наклон означает, что сопротивление коллектор­ного перехода очень велико. Ток базы создает падение напряжения внутри базы, приводящее к тому, что дырки из области базы выталкива­ются электрическим полем в область коллектора, создавая тем самым I_К при U_КБ= 0. При подаче на коллектор малого напряжения (порядка деся­тых долей вольта) ток коллектора равен нулю.

При равном нулю эмиттерном токе ток коллектора отличен от нуля. Этот ток образуется за счет движения неосновных носителей через кол­лекторный переход и называется обратным током. Его величина почти не изменяется при изменении U_КБ, но очень сильно зависит от температуры кристалла.

Семейство входных и выходных статических характеристик схемы с ОЭ представлено на рис. 8.

Наклон входных характеристик зависит от величины U_КЭ, кривая при U_КБ = 0 далеко отстоит от остальных кривых семейства. Выходные харак­теристики, в отличие от характеристик с ОБ на пологом участке идут бо­лее круто по отношению к оси абсцисс, поскольку в схеме с ОЭ часть коллекторного напряжения приложена к эмиттерному переходу и оказы­вает влияние на процесс инжекции дырок в базу. I_К становится равным нулю уже при малых отрицательных значениях коллекторного напряже­ния, а не при положительных, как в схеме с ОБ. При I_Б = 0 ток коллектора отличен от нуля в силу движения неосновных носителей, как и в схеме с ОБ.

Для расчета схем, использующих включение транзистора с общим коллектором, обычно пользуются семейством статических характеристик, что и для схемы с ОЭ.