Біполярні транзистори
Біполярний транзистор складається з трьох областей напівпровідникового матеріалу, провідності яких чергуються. За послідовністю чергування провідностей біполярні транзистори поділяються на р-n-р транзистори та n-р-n транзистори. На електричних схемах транзистори позначаються символами VT. Ділянка, що є джерелом носіїв заряду (електронів або дірок), називається емітером (Е), а та, яка збирає заряди, називається колектором (К), а вивід між ними — базою (Б). У будові емітера, бази і колектора є свої особливості.
По-перше, виготовляючи транзистор, концентрацію основних носіїв в емітері (введенням домішки) роблять більшою, ніж у колекторі.
По-друге, концентрація основних носіїв у базі набагато менша, ніж у колекторі, а тим більше в емітері, тобто питома провідність бази набагато менша за питому провідність колектора й емітера.
По-третє, база виготовляється тонкою, тобто товщина бази рівновелика дифузній довжині, що становить кілька мікрометрів.
Електронно-дірковий перехід між емітером і базою називається емітерним, а між базою і колектором — колекторним.
Схеми ввімкнення біполярного транзистора
Схеми ввімкнення транзистора визначаються за електродом, спільним як для вхідного кола, так і для вихідного. Розрізняють такі схеми ввімкнення транзисторів: із спільною базою (СБ), спільним емітером (СЕ) та спільним колектором (СК).
Схема увімкнення із спільною базою має великий вихідний опір і малий вхідний коефіцієнт підсилення струму, що майже дорівнює одиниці, тому застосовується для побудови стабілізованих джерел струму і напруги, у складних підсилювачах, електронних комутаторах тощо.
Схема увімкнення зі спільним колектором має вхідний опір набагато більший за вихідний, а коефіцієнт підсилення напруги майже дорівнює одиниці, тому ця схема застосовується для узгодження вхідних і вихідних опорів каскадно з’єднаних електронних пристроїв.
У схемах увімкнення із спільним емітером відношення вхідного і вихідного опорів не таке різне, як у попередніх схем, крім того, коефіцієнт підсилення струму і коефіцієнт підсилення напруги набагато більший за одиницю, тому ця схема застосовується для побудови різного ряду підсилювачів і перетворювачів електричних сигналів.
Режими роботи біполярних транзисторів
Залежно від полярності напруги (пряма чи зворотна, прикладена до емітерного та колекторного р-n переходу транзистора) розрізняють такі режими роботи транзистора:
• активний, у якому емітерний р-n перехід транзистора зміщений у прямому напрямі, а колекторний р-n перехід у зворотному;
• насичення, у якому обидва р-n переходи транзистора зміщені у прямому напрямі;
• відсікання, коли до обох p-n переходів прикладені напруги оберненої полярності;
• інверсний, у якому до емітерного р-n переходу прикладена напруга оберненої полярності, а до колекторного — прямої, тобто колектор і емітер помінялися ролями порівняно з активним режимом.
Активний режим роботи біполярного транзистора. Розглянемо роботу транзистора n-р-n, увімкненого за схемою спільна база в активному режимі.
До емітерного р-n переходу транзистора в активному режимі прикладена напруга прямої полярності, достатня для того, щоб основні носії заряду емітера змогли здолати потенціальний бар’єр.
Під дією прикладеної прямої напруги основні носії з ділянки емітера переходять (інжектуються) в базу, створюючи струм емітера ІЕ. Оскільки база виготовляється вузькою (розмір бази приблизно дорівнює дифузній довжині носіїв) і з низькою концентрацією основних носіїв, то переважна більшість (99 ... 99,8 %) носіїв заряду, інжектованих з емітера в базу, не стикаються на своєму шляху з носіями зарядів іншої полярності і досягають колекторного переходу. Незначна кількість інжектованих з емітера носіїв рекомбінує в базі, створюючи струм бази IБ.
Інжектовані з емітера носії заряду для бази є неосновними, тому, досягнувши колекторного переходу, вони потрапляють у прискорювальне електричне поле колекторного джерела енергії, напруга якого добирається набагато більшою за напругу емітерного джерела. Прискорені електричним полем носії заряду досягають колектора, створюючи струм колектора IК.
Таким чином, для біполярного транзистора можна записати рівняння струмів в активному режимі:
Відношення вихідного струму IК транзистора, ввімкненого за схемою зі спільною базою, до вхідного струму IК називається коефіцієнтом підсилення струму емітера:
За коефіцієнтом підсилення струму емітера α і рівнянням струму транзистора визначають коефіцієнт підсилення струму бази:
Коефіцієнт підсилення струму емітера α менший за одиницю і становить 0,90 ... 0,999.
Режим насичення. У цьому режимі на обидва р-n переходи транзистора подається напруга прямої полярності і обидва переходи відкриваються. У базу інжектуються основні носії як і з емітера, так і з колектора. Опір емітерного і колекторного р-n переходу різко зменшується, а отже, різко зменшується опір між усіма трьома електродами транзистора.
Режим насичення застосовується у тому разі, якщо потрібно зменшити майже до нуля опір між двома елементами кола, з’єднаними через транзистор, тобто для комутації елементів електричного кола.
Режим відсікання. У режимі відсікання на емітерний і колекторний р-n переходи подається напруга зворотної полярності і обидва переходи закриваються. В емітерному і колекторному колах протікають теплові струми неосновних носіїв заряду, абсолютне значення яких становить одиниці мікроампер. Опори емітерного і колекторного р-n переходів настільки великі, що можна вважати емітерне і колекторне кола розімкненими. Режим відсікання транзистора застосовують для розмикання електричних кіл.
Якщо у процесі роботи транзистор під дією імпульсів керування переходить від режиму насичення до режиму відсікання і навпаки, то вважають, що транзистор працює у ключовому режимі. Ключовий режим транзистора застосовують для вмикання, вимикання та перемикання електричних кіл, тобто у ключовому режимі транзистор працює як швидкодійний електронний комутатор.
Статичні вольт-амперні характеристики біполярного транзистора
Транзистор, увімкнений за будь-якою схемою (СК, СБ, СЕ) як чотириполюсник, характеризується такими фізичними величинами: вхідною і вихідною напругами та вхідним і вихідним струмами.
Взаємозв’язок між цими величинами наочно ілюструють статичні вольт-амперні характеристики транзистора.
Вхідною характеристикою транзистора називається залежність вхідного струму від вхідної напруги за умови незмінності вихідної напруги. Для схеми ввімкнення з СЕ вхідна характеристика транзистора — це залежність струму бази IБ від напруги база — емітер UБЕ, за умови, що напруга колектор — емітер стала (UKE = const). Вхідні характеристики транзистора КТ315Г (IБ = f (UБЕ), UKE = const) наведені на рис. 1.
Рисунок 1 Рисунок 2
Вихідною характеристикою транзистора називається залежність вихідного струму від вихідної напруги за умови незмінності вхідного струму. Для схеми ввімкнення з СЕ вихідна характеристика транзистора — це залежність струму колектора IК від напруги колектор — емітер (UKE), за умови, що струм бази сталий (IБ = const). Вихідні характеристики транзистора КТ315Г наведені на рис. 2.