Теоретичні відомості до лабораторної роботи

Транзистор - це напівпровідниковий прилад з одним або декількома pn-переходами, який може бути використаний для підсилення потужності електричних сигналів.

Існують різні типи транзисторів. Найбільше застосування знаходить біполярний транзистор.

Основа біполярного транзистора - кристал германію або кремнію, у якому створені три зони з різними типами провідності. Крайні області називаються емітером і колектором. Вони завжди мають однаковий тип провідності. Середня область називається базою і має протилежний тип провідності. Між областями формуються 2 pn-переходи: емітерний між базовою та емітерною областю, та колекторний – між базовою та колекторною областями.

Біполярні транзистори бувають і типів (рис.2.2). Фізичні процеси, що відбуваються в них, аналогічні.

Рис.2.2. Структура та схематичне позначення біполярних транзисторів p-n-p та n-p-n типів

При виготовленні біполярного транзистора необхідно виконати дві умови:

1. Область бази повинна бути дуже тонкої (від одиниць до десятків мікрометрів).

2. Концентрація основних носіїв в емітері повинна бути на кілька порядків більше концентрації основних носіїв у базі .

Розглянемо принцип дії біполярного транзистора на прикладі транзистора типу (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Вмикання в коло транзистора p-n-p типу (активний режим роботи) та діодна схема заміщення

Для роботи транзистора необхідно подати на його виводи відповідні потенціали, наприклад, за допомогою двох джерел напруги і , як це показано на рис. 2.3.

Джерело підключається до емітерного переходу в прямому напрямку (емітерний перехід відкритий), джерело – до колекторного переходу в зворотному напрямку (колекторний перехід закритий).

Оскільки емітерний перехід відкритий, опір його малий і через нього протікає струм, обумовлений переходом дірок з емітера в базу і електронів з бази в емітер. Оскільки виконується друга умова і концентрація носіїв в емітері більша, ніж в базі, можна вважати, що практично весь струм емітерного переходу (струм емітера транзистора ) утвориться за рахунок дірок, що перейшли з емітера в базу. Дірки, що потрапили з емітера в базу, внаслідок різниці концентрацій, починають дифундувати через область бази у бік колектора. Для області бази дірки є неосновними носіями заряду. Зустрічаючись в базі з електронами, вони рекомбінують з ними. Для того, щоб електрон зустрівся з діркою і рекомбінував з нею, необхідний певний час. Оскільки база виконується дуже тонкою згідно умови 1, більшість дірок встигає пройти її, не встигнувши рекомбінувати. Однак невелика частина дірок все-таки встигає рекомбінувати у базі з електронами, і замість рекомбінувавших електронів в базу надходять нові електрони із зовнішнього кола. Ці електрони створюють струм бази транзистора .

Велика частина дірок, що вийшла з емітера, встигає дійти до колекторного переходу. Тут вони підхоплюються його полем (див л.р. №1, рис. 1.2) і переходять в область колектора. Для підтримання незмінною концентрації носіїв в області колектора, від джерела у колектор надходять електрони, що утворюють струм колектора .

Виходячи з викладеного, можна зробити висновок, що для транзистора виконується 1-й закон Кірхгофа: . Впливаючи на кожний з цих струмів, тим самим впливають і на два інші струми. Звичайно впливають на струм бази , який у транзисторі має мінімальне значення. При цьому пропорційно змінюються струми та , які є значно більшими. Таким чином, транзистор забезпечує підсилення струму. Кажуть, що біполярний транзистор є приладом, який керується струмом.

Взаємозв'язок між струмами транзистора часто виражається через наступні коефіцієнти:

1) коефіцієнт передачі струму емітера – розраховується в схемі зі спільною базою.

2) коефіцієнт передачі струму бази – розраховується в схемі зі спільним емітером.

Використовуючи наведені коефіцієнти, можна записати .

Однак більш точним буде вираз , де - тепловий (зворотний) струм колекторного переходу, обумовлений переходом неосновних носіїв з бази в колектор та з колектора в базу. Оскільки концентрація неосновних носіїв значно менше, ніж основних, струм при кімнатній температурі дуже малий. Однак при підвищенні температури він швидко зростає (збільшується майже в 2 рази на кожні 10°С). Оскільки цей струм некерований (не залежить від струму емітера), при підвищених температурах він порушує нормальну роботу транзисторних схем.

При використанні транзистора в електронних схемах на його вхід подається сигнал, який необхідно підсилити, а з виходу знімається підсилений сигнал. Для подачі вхідного сигналу необхідно два електроди. Для зняття підсиленого сигналу також необхідно два електроди. Оскільки в транзистора тільки три електроди, один з них завжди є спільним для вхідного і вихідного сигналів. Залежно від того, який електрод є спільним, розрізняють три схеми вмикання транзистора:

1) схема зі спільною базою (СБ);

2) схема зі спільним колектором (СК);

3) схема зі спільним емітером (СЕ).

Найбільш широке застосування знаходить схема СЕ, оскільки вона підсилює і струм, і напругу, а отже забезпечує найбільше підсилення сигналу за потужністю.

Оскільки біполярний транзистор має три зовнішні електроди, для нього можна зняти кілька вольт-амперних характеристик. Вольт-амперна характеристика знімається між двома електродами, однак її вид буде залежати від того, що подається на третій електрод. У зв'язку з цим ВАХ транзистора буде являти собою не одну характеристику, а їх сімейство.

Для схеми вмикання транзистора СЕ вхідний сигнал подається між базою і емітером, а вихідний знімається між емітером і колектором. Отже, вхідною характеристикою є залежність , a вихідною характеристикою – . Ці характеристики наведені на рис. 2.4.

а) б)

в)

Рис. 2.4. Вмикання біполярного транзистора за схемою зі спільним емітером (а), його вхідні (б) та вихідні (в) вольт-амперні характеристики

Як слідує з рис. 2.4, вхідна характеристика мало залежить від вихідної напруги , тому в довідниках звичайно наводять дві вхідні характеристики, що відповідають нульовій і робочій напрузі .

З вихідних характеристик видно, що струм колектора транзистора (вихідний струм) мало залежить від вихідної напруги , а в основному визначається струмом бази (вхідним струмом).

Транзистор характеризується наступними основними параметрами:

– максимально допустима напруга між колектором і емітером;

– максимально допустимий струм колектора;

– максимально припустима потужність, що розсіюється транзистором;

– зворотний (тепловий) струм колекторного переходу;

– максимальна робоча частота;

– максимально допустима температура (для германієвих транзисторів +85°С, а для кремнієвих +125°С).

Характеристики, наведені на рис. 2.4.б,в називаються статичними. Вони характеризують транзистор як прилад. Для того, щоб за допомогою транзистора здійснити підсилення сигналу у його вхідне коло вмикають джерело сигналу , а у вихідне коло - навантажувальний опір (рис. 2.5).

Для даного ланцюга, відповідно до другого закону Кірхгофа, можна записати .

З останнього рівняння отримуємо: .

Отримана функція для струму називається рівнянням динамічної навантажувальної характеристики транзистора.

Рис. 2.5. Схема вмикання біполярного транзистора в електричне коло – динамічний режим роботи

Оскільки рівняння лінійне, динамічну навантажувальну характеристику можна побудувати по двох точках:

1) при , ;

2) при , .

Динамічна навантажувальна характеристика транзистора будується на вихідних статичних характеристиках (рис. 2.4). Точка перетину О динамічної навантажувальної характеристики з відповідною статичною характеристикою, яка визначається заданим струмом бази , називається робочою точкою транзистора.

В процесі роботи при зміні вхідного сигналу (струму бази) робоча точка може знаходитися в трьох областях, кожній з яких відповідає свій режим роботи (рис. 2.4):

• область відсічки (1) - транзистор повністю закритий, оскільки і емітерний, і колекторний переходи закриті. У ланцюзі колектора протікає незначний зворотній струм (тепловий струм). В режимі, що відповідає цій області, транзистор можна розглядати як розімкнений ключ.

• активна область (2) - робоча точка рухається в межах пологої ділянки вихідних ВАХ. Це так званий режим лінійного підсилення. У даному режимі емітерний перехід транзистора відкритий, а колекторний закритий, і виконується умова .

• область насичення (3) - у цьому режимі емітерний і колекторний переходи відкриті. Транзистор повністю відкритий, його опір мінімальний і . Струм обмежується тільки опором навантаження . Транзистор в цьому режимі може розглядатися як замкнений ключ.

В лінійних підсилювачах транзистор працює в активному режимі.

Якщо в процесі роботи транзистор почергово знаходиться в режимі насичення і відсічки, такий режим називається імпульсним або ключовим режимом. Він використовується в імпульсних і цифрових пристроях.