Тема 4. Біполярні транзистори

Біполярний транзистор - це напівпровідниковий прилад, що складається з трьох областей, в яких тип провідності чергується, призначений для посилення потужності.

Термін "біполярний" характеризує наявність в транзисторі двох типів носіїв зарядів: дірок і електронів. Транзистор містить три зони. Середню область називають базою, крайні - емітером і колектором. База є електродом, за допомогою якого можна регулювати струм через транзистор і, управляючи потужністю зовнішнього джерела напруги, усилювати електричні сигнали. Існує термінологія, відповідно до якої емітером називають область транзистора, що служить для інжекції носіїв заряду в базу. Колектором називається область, призначена для екстракції носіїв заряду з бази, а базою є область, в яку інжектуются емітером неосновні для цієї області носії заряду. Залежно від чергування провідності в областях ( n і р ) розрізняють транзистори р-п-р і п-р-п типів. Принцип роботи цих двох типів транзисторів аналогічний.

Якщо напругу в ланцюзі емітера змінювати в часі, то по цьому ж закону змінюватимуться всі струми транзистора, а отже, і напруга на опорі в ланцюзі колектора. Потужність вихідного сигналу може у багато разів перевищувати потужність вхідного.

Для величин, що відносяться до бази, емітера і колектора, застосовують як індекси букви «б», «е» і «к». Струми в ланцюгах бази, емітера і колектора позначають відповідно iб, iе, iк. Напруги між електродами позначають подвійними індексами: u_бе, u_кб, u_ке .

Для оцінки роботи транзистора в тій або іншій схемі використовуються, так звані, характеристичні параметри, що відображають залежність зміни струмів і напруг на вході і виході схеми. До основних характеристичних параметрів транзистора відносяться:

вхідний опір:

;

вихідний опір:

коефіцієнт посилення по струму:

коефіцієнт посилення по напрузі:

коефіцієнт посилення по потужності:

Значення характеристичних параметрів залежать від схеми включення транзистора. Існує три схеми включення транзисторів: із спільною базою (СБ), із спільним емітером (СЕ) і із спільним колектором (СК).

Для вказаних схем включення транзисторів характеристичні параметри в значній мірі відрізняються.

Схеми „ СБ” , представлені на рис.4.1. для р-n-p (рис.4.1, а) і n-p-n (рис.4.1, б) забезпечують велике підсилення напруги і потужності, але мають коефіцієнт підсилення струму менший за одиницю. Вхідний опір Rвх в таких схемах дуже малий, а вихідний Rвих - великий.

а) б)

Рис.4.1.

У даних схемах:

,

де - коефіцієнт передачі струму емітера;

- відповідно струм колектора і струм емітера; Схеми „ СЕ” (рис.4.2, а,б) забезпечують велике посилення струму, напруги і потужності.

а) б)

Рис.4.2.

При цьому Rвх відносно невеликий і залежить від опору навантаження, а Rвих достатньо великий.

,

де - динамічний коефіцієнт передачі струму бази.

Схеми „ СК” (рис.4.3, а,б) забезпечують посилення струму і потужності, але коефіцієнт посилення напруги в таких схемах менший за одиницю.

а) б)

Рис.4.3.

Вхідний опір в таких схемах дуже великий, а вихідний опір Rвих малий.

.

Для аналізу електричних кіл, які містять транзистори, використовуються різні еквівалентні схеми. Найпоширенішою є еквівалентна схема біполярного транзистора в h – параметрах, яка відображає залежність вихідного струму і вхідної напруги від його вхідного струму і вихідної напруги . Дана залежність визначається системою рівнянь:

Дана система рівнянь може бути конкретизована залежно від схеми включення. Так для n-p-n транзистора, включеного по схемі „ СЕ”, одержуємо:

Коефіцієнти, представлені в даному рівнянні визначаються експериментально за допомогою дослідів короткого замикання на виході і зворотного холостого ходу на вході транзистора. При короткому замиканні одержуємо:

вхідний опір h_{11 э}

,

значення якого знаходиться в межах від сотень Ом до декількох кОм,

і коефіцієнт посилення струму h21 _Е:

,

величина якого знаходиться в межах від декількох десятків до декількох сотень Ом.

При зворотному холостому ходу коефіцієнт зворотного зв'язку :

а вихідна провідність h22 _Е:

рівна звичайно десятим і навіть сотим часткам мілісименса.

Для кожного транзистора можуть бути одержані сімейства статичних вихідних і вхідних характеристик.

Вихідні характеристики транзистора при показані на рис.4.4, а.

Вхідні характеристики транзистора, включеного по схемі „СЕ” (рис. 4.4, б) є характеристиками діода в прямому напрямі. При збільшенні Uкэ ці характеристики зміщуються управо. Для наближеного обчислення коефіцієнта посилення по струму β для деякої точці М характеристики, необхідно в околиці цієї точки виділити ще дві точки (наприклад, С і D), для яких відомі значення колекторного і базового струмів. Тоді величина β визначається як:

а) б)

Рис.4.4.

Так само визначається наближене значення вхідного опору транзистора Rвх по його вхідних характеристиках. Вибравши в околиці точки N, в якій визначається величина Rвх, деякі крапки (наприклад, А і В), для яких відомі значення напруги U_вх і струму I_б, одержуємо: