Биполярные транзисторы. 
Электроника

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся областей полупроводника с различным типом проводимости (р-п-р или п-р-п) с выводом от каждой области.

На рис. 1.8, а показан n-р-n-транзистор, а на рис. 1.9, а — р-п-р-транзистор. Области и выводы от них называются: эмиттер Э (англ. emit — испускать, извергать), база Б и коллектор К (англ. collect — собирать).

Рис. 1.8. Биполярный транзистор n-р-n-типа:

а — принцип действия; б — условное обозначение.

Рис. 1.9. Биполярный транзистор р-п-р-типа:

а — принцип действия; б — условное обозначение Рассмотрим работу транзистора n-р-n-типа. Чередующиеся области образуют два р-п-перехода база-эмиттер (БЭ) и база-коллектор (БК). К переходу БЭ прикладывают прямое напряжение EБЭ, под действием которого электроны n-области эмиттера устремляются в базу, создавая ток эмиттера. Концентрацию примесей в эмиттере делают во много раз больше, чем в базе, а саму базу по возможности тоньше. Поэтому лишь незначительная часть (1−5%) испущенных эмиттером электронов рекомбинирует с дырками базы. Бо? льшая же часть электронов, миновав узкую (доли микрона) область базы, «собирается» коллекторным напряжением Ек, представляющим обратное напряжение для перехода БК, и, устремляясь к плюсу внешнего источника Eк, создает коллекторный ток, протекающий по нагрузке Rн.

Электроны, рекомбинировавшие с дырками базы, составляют ток базы IБ. Ток коллектора, таким образом, определяется током эмиттера за вычетом тока базы:

где а = 0,95:0,98 — коэффициент передачи тока эмиттера.

Аналогично работает транзистор р-n-р-типа, отличаясь лишь тем, что его эмиттер испускает в базу не электроны, а дырки, поэтому полярности прикладываемых к нему прямого UЭБ и обратного Ек напряжений должны быть противоположны транзистору п-р-п-типа (сравните рис. 1.8, а и рис. 1.9, а).

На условном обозначении транзисторов стрелка ставится на эмиттере и направлена всегда от р-области к n-области. На рис. 1.8, б приведено условное обозначение транзистора п-р-п, а на рис. 1.9, б — р-п-р. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор изготовлен в самостоятельном корпусе, а отсутствие кружка — что транзистор выполнен заодно с другими элементами на пластинке полупроводника интегральной микросхемы.

Стрелку эмиттера удобно рассматривать как указатель полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое «открывает» (подобно выпрямительному диоду) транзистор.

При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для входного сигнала и два — для выходного. Так как у транзистора всего лишь три вывода, один из них должен быть общим, принадлежащим одновременно и к входной, и к выходной цепи. Возможны три варианта схем включения транзисторов — с общей базой, общим эмиттером и с общим коллектором.

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение, поданное между эмиттером и базой UBX = = UЭБ; выходным — напряжение, выделяемое на нагрузке Uвых = IкRн; входным током — ток эмиттера Iвх = IЭ; выходным током — ток коллектора Iвых = Iк. Входное напряжение UЭБ является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (па доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах — практически от нуля до максимального. Максимальный ток определяется назначением транзистора (маломощные, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией. Так как напряжение U? Б является обратным, величина напряжения внешнего источника Ек может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемого на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора:

Рис. 1.10. Схема включения транзистора с общей базой.

Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшего, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванные ими приращения выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Различают три вида коэффициентов усиления:

• • коэффициент усиления по току КI = ?Iвых /?Iвх;
• • коэффициент усиления по напряжению КU = ?Uвых/?Uвх;
• • коэффициент усиления по мощности КР = КI • КU.

Величина входного сопротивления определяется как отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвх = ?Uвх/?Iвх. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала обладает некоторым внутренним сопротивлением, и при подключении его к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя. Поэтому чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет выделяться на этом сопротивлении и усиливаться и тем меньшая его часть будет падать на внутреннем сопротивлении самого источника.

Так как коэффициент передачи тока эмиттера определяется как? = Iк / Iэ, то с учетом того, что для схемы с ОБ ток эмиттера является входным током, а ток коллектора — выходньм, коэффициент усиления по току будет равен:

(Индекс «Б» в обозначении КIБ показывает, что коэффициент характеризует работу схемы с ОБ.).

Так как входным напряжением является прямое для эмиттерного перехода напряжение UЭБ, а входным током — ток эмиттера, то входное сопротивление определится как.

и составляет обычно единицы-десятки ом. Очевидно, что чем мощнее транзистор, тем больше будет ток эмиттера и тем меньше его входное сопротивление.

Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОБ равен:

т.е. определяется соотношением сопротивления нагрузки и входного сопротивления. Если Rn - килоомы, коэффициент КUБ может достигать 1000.

Коэффициент усиления по мощности определяется как произведение коэффициентов усиления по току и напряжению:

Таким образом, КРБ тоже определяется соотношением сопротивлений.

Так как коэффициент усиления схемы с ОБ по току КIБ оказывается меньше единицы, она применения не нашла.