Биполярные транзисторы. 
Анализ сферы применения электроники

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n -перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором.

На рис. 3.1,а показано схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 3.1,б).

Транзистор p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 3.2, а. Более простой вариант условного графического обозначения — на рис. 3.2,б.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна. Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это можно объяснить тем, что основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а транзисторах типа p-n-p — дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Рис. 3.2 Структура транзистора типа p-n-p (а) и его графическое обозначение (б)

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественные особенности структуры транзистора. В основе работы биполярного транзистора типа n-p-n лежат те же физические процессы, которые рассмотрены при изучении полупроводникового диода. Особенности транзистора определяются особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, показанное на рис. 3.3. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 3.4).

Рис. 3.3 Структура транзистора Рис. 3.4. Схема с двумя диодами

В схеме с диодами ток каждого диода зависит от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 — 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки. Транзисторы часто применяют для усиления переменных сигналов (которые при расчетах обычно считают синусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.

Во входной цепи, кроме источника постоянного напряжения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменного напряжения. Представим три характерные схемы включения транзистора.

Схема с общей базой (ОБ) (рис. 3.5). Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх. Учитывая, что, можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.

Рис. 3.5 Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)

Рис. 3.6 Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.6). Так как, а при достаточно большом сопротивлении Rн амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.

Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

Схема с общим коллектором (ОК) (рис. 3.7). При определении переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения u1 и u2 заменяют закоротками (закорачивают).

После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения uвх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название — схема с общим коллектором.

Напряжение uбэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения uвх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения uвых. Поэтому схемы с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.

Рис. 3.7 Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК)

Учитывая, что, можно отметить, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.

Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения uбэ, так и напряжения uвых.

На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.

h — параметры транзистора При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.8). В четырехполюснике условно изображен транзистор с общим эмиттером.

Рис. 3.8 Транзистор в виде четырехполюсника

Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:

i1 — переменная составляющая тока базы;

u1 — переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

i2 — переменная составляющая тока коллектора;

u2 — переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

Транзистор удобно описывать, используя так называемые h-параметры.

Входное сопротивление транзистора для переменного сигнала (при закороченном выходе: u2=0) :

.

Аналогично.

— коэффициент обратной связи по напряжению.

Режим работы при i1=0 называют холостым ходом на входе.

Далее.

— коэффициент передачи тока,.

— выходная проводимость.

При этом.

.

т. е.

Коэффициенты hij определяются опытным путем. Параметры, соответствующие схеме с общим эмиттером, обозначаются буквой «э», а схеме с общей базой — буквой «б».