1. Біполярні транзистори. Принцип дії, основні параметри та статичні характеристики транзисторів. Основні схеми включення транзисторів.

Біполярний транзистор винайшли в 1947 році Джон Бардін і Волтер Браттейн під кервіництвом Шоклі із Bell Labs за що отримали Нобелівську премію з фізики.

Біполярний транзистор - напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими.

Біполярний транзистор – це напівпровідникові елементи, що мають при зони провідності, які утворюють два р-п переходи. Ці зони називають: емітер (виділяє носії заряду), база (має властивість керувати цими зарядами) і колекторна (збирає носії заряду). Відповідно, кожна з зон має свій вивід. Який маркується: К – колектор; Б-база; Е-емітер. Залежно від типу вільних носіїв заряду в цих зонах, транзистори поділяються за типом на р-п-р чи п-р-п типу.

Біполярним транзистором називають напівпровідниковий прилад з двома взаємодіючими p-n переходами і трьома виводами, призначений для підсилення, генерування і комутації електричних сигналів.

Основою транзистора є кристалічна пластинка германію чи кремнію, в якій за допомогою відповідних домішок утворюють три області з різним типом домішкової провідності. Транзистори, в котрих крайні області мають діркову провідність, а середня електронну - називають транзисторами p-n-p типу. В транзисторах n-p-n типу крайні області мають електронну провідність, а середня -діркову (рис.3.1). Крайні області називають емітером (Е) і колектором (К), а середню -базою (Б).

Рис. 1. Структура і типи транзисторів:

n-p-n типу (а) і p-n-p типу (б).

Принцип роботи транзисторів обох типів однаковий, але полярність при-кладених напруг протилежна. У назві біполярні відбито той факт, що струм через транзистор визивається рухом носіїв заряду обох знаків - дірок і електронів, на відміну від польових транзисторів, де струм у каналі виникає в результаті руху носіїв лише одного знаку.

Транзистори вмикають в електричні кола таким чином, щоб до переходу емітер-база зовнішня напруга була прикладена у прямому напрямку, а до переходу колектор-база -в зворотному. Коротко розглянемо роботу біполярних транзисторів на прикладі транзистора n-p-n типу (2).

Рис. 2. Схема вмикання транзистора із загальною базою.

Так як емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, то навіть невелика напруга між емітером і базою визиває перехід основних носіїв, в даному випадку електронів, із емітера в базу. Цей процес називають інжекцією основних носіїв із емітера в базу. В області бази інжектовані носії стають неосновними і в наслідок теплового руху (дифузії) і під дією прискорюючого поля колекторного переходу (дрейфу) досягають колектора, створюючи основний струм колектора . Деяка частина електронів, інжектованих в базу, рекомбінує з дірками бази, спричинюючи появу струму бази . Однак, цей струм невеликий тому, що концентрація дірок в базі низька, а область бази порівняно невелика.

Наявність р-п переходів визначає два стани транзистора: відкритий і закритий. У відкритому транзисторі струм проходить від емітера до колектора. Для цього в транзисторі типу р-п-р до кожного р-п-переходу потрібно прикласти напругу певної полярності, а саме: між емітером і базою – в прямому напрямку, тобто до емітера "+", а до бази "-"; між колектором і базою – в зворотньому напрямку – до колектора "-", до бази "+". Для транзисторів п-р-п –типу полярність прикладених напруг протилежна.

За наявності прикладених напруг вільні заряди із зони емітера переходять у зону бази, де частина в них рекомбінує. За рахунок того, що зона бази є невеликою (кілька мікронів), то більшість цих зарядів потрапляють під дію напруги U_БК і переходять в зону колектора. Таким чином, утворюються струми І_К, бази І_Б та колектора І_К, які підпорядковані першому закону Кіргхофа І_Е=І_К+І_Б, а зв'язок між вихідним і вхідним струмами визначається коефіцієнтом пересилання за струмом:

Таке увімкнення транзистора називають із спільною базою. Але враховуючи, що І_Б є незначним, практично приймають І_Е=І_К , то в такій схемі К_і 1, тому транзистор доцільно вмикати за схемою зі спільним емітером . Оскільки струм ІБ є вхідним струмом і незначним за величиною, то така схема забезпечує значне підсилення приросту в порівнянні зі схемою зі спільною базою.

Схеми увімкнення транзистора ( а-зі спільною базою, б-з спільним емітером.)

а) б)

Кожна схема має свої особливості і відповідно сферу застосування.

Схема з С_Б має коефіцієнт передачі струму < 1, характеризується низьким вхідним та великим вихідним опорами і застосовується дуже рідко, зокрема, у підсилювачах напруги, що працюють на високоомне навантаження.

Схема з С_Е має великий вхідний і малий вихідний опір, має великий коефіцієнт підсилення, але інвертує вхідний сигнал (зсув фази І).

(Найчастіше використовується вмикання транзисторів із спільним емітером. При цьому вмиканні здійснюється підсилення і за напругою, і за струмом. Відношення приростів колекторного струму до базового називають коефіцієнтом передачі транзистора за струмом у схемі з загальним емітером

.

Схема з С_К не інвертує сигнал, але коефіцієнт підсилення за напругою менше 1.

h – параметри транзистора

Основні параметри транзисторів

1. Зворотній струм колектора І_{К Б О}.

2. Зворотній струм емітера І_{Е Б О}.

3. Напруга насичення колектор-емітер U_{КЕ НОС.}

4. Напруга насичення база-емітера И_{БЕ НОС.}

5. Гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі зі спільним емітером F_гр.

6. η_к – ККД колектора.

7. Р_вих – вихідна потужність.

8. Р_к – постійно розсіювана потужність колектора.

9. Струми насичення І_{к нос.}, І_{Б нас}.

Підсилюючі властивості транзисторів оцінюються за їх характеристиками за допомогою системи h- параметрів. Значення h-параметрів знаходять з побудови характеристичних трикутників на статичних вольт-амперних характеристиках транзистора в околі робочої точки.

При дії малих сигналів транзистор розглядають як лінійний активний чотириполюсник (рис. 4).

Рис. 4. Схема чотириполюсника, еквівалентного транзистору.

За допомогою системи h-параметрів легко отримати вирази для приростів вхідної напруги і вихідного струму, як функцій зміни струму бази і колекторної напруги

;

;

З приведених рівнянь легко встановити фізичний зміст h-параметрів. Зокрема, параметр , що визначається відношенням приросту напруги на базі до відповідного приросту струму бази при постійній напрузі на колекторі є вхідним опором транзистора

при .

Параметр називають коефіцієнтом зворотного зв'язку за напругою і він визначається відношенням приросту колекторної напруги до визваного приросту напруги бази при постійному струмі бази

при .

Важливим параметром транзистора є його коефіцієнт передачі за струмом , рівний відношенню приросту колекторного струму до відповідного приросту струму бази при постійній напрузі на колекторі

при .

Параметр має зміст вихідної провідності транзистора у схемі з загальним емітером і визначається відношенням приросту колекторного струму до відповідного приросту напруги на колекторі при постійному струмі бази, а саме

при .

Параметри i знаходять за вхідними статичними характеристиками транзистора, а і - за вихідними.

Система h- параметрів використовується при побудові схем заміщення транзисторів, необхідних при теоретичному аналізі роботи електронних кіл. Схема заміщення біполярного транзистора приведена на рис.4.5.

Рис..5. Схема заміщення транзистора.

Зі схеми ри..5. видно, що транзистор можна розглядати, як кероване джерело струму. Величина струму генератора визначається струмом бази, який, в свою чергу, залежить від величини прикладеної напруги і вхідного опору транзистора . Джерело струму зашунтоване резистором, опір якого є оберненим до вихідної провідності транзистора.