Биполярный транзистор

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора. Уровни электронов и дырок примерно равны

Режимы работы биполярного транзистора

• Нормальный активный режим;
• Инверсный активный режим;
• Режим насыщения;
• Режим отсечки;

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (заткрыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (обе закрыты).

Схемы включения =)

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току I_вых/I_вх.
• Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх

Схема включения с общей базой

• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_э=α [α<1]
• Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Недостатки схемы с общей базой :

• малое усиление по току, так как α < 1
• Малое входное сопротивление
• Два разных источника напряжения для питания.

Достоинства:

• Хорошие температурные и частотные свойства.
• Высокое допустимое напряжение

Схема включения с общим эмиттером

$I_{\text{вых}}=I_{\text{к}}$

$I_{\text{вх}}=I_{\text{б}}$

$U_{\text{вх}}=U_{\text{бэ}}$

$U_{\text{вых}}=U_{\text{кэ}}$

• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_б=I_к/I_э-I_к = α/1-α = β [β>>1]
• Входное сопротивление: R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_б

Достоинства:

• Большой коэффициент усиления по току
• Большой коэффициент усиления по напряжению
• Наибольшее усиление мощности
• Можно обойтись одним источником питания
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

• Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Схема с общим коллектором

$I_{\text{вых}}=I_{\text{э}}$

$I_{\text{вх}}=I_{\text{б}}$

$U_{\text{вх}}=U_{\text{бк}}$

$U_{\text{вых}}=U_{\text{кэ}}$

• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_э/I_б=I_э/I_э-I_к = 1/1-α = β [β>>1]
• Входное сопротивление: R_вх=U_вх/I_вх=(U_бэ+U_кэ)/I_б

Достоинства:

• Большое входное сопротивление
• Малое выходное сопротивление

Недостатки:

• Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением также называют «эмиттерным повторителем»

Технология изготовления транзисторов

• Планарно-эпитаксиальная
• Сплавная
  • Диффузионный
  • Диффузионносплавной

Применение транзисторов

• Усилитель
• Генератор
• Модулятор
• Демодулятор (Детектор)
• Инвертор (лог. элемент)

Ссылки и литература

• Электронные твердотельные приборы (online курс)
• Справочник о транзисторах
• http://www.pilab.ru/csi/AUK/Microelectr/page41.html Биполярные транзисторы. 4.1.Принцип работы.