Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и параметры

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

• эмиттер;
• базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

• электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
• между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1. Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов. Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок , ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.

Режим насыщения

Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Основные схемы включения транзисторов

Транзистор, как полупроводниковый прибор, имеющий три электрода (эмиттер, базу, коллектор), можно включить тремя основными способами (рис. 3.1 — 3.6). Как известно, входной сигнал поступает на усилитель по двум проводам; выходной сигнал отводится также по двум проводам. Следовательно, для трех-электродного усилительного прибора при подаче входного и съеме выходного сигнала по двум проводам один из электродов будет непременно общим. Соответственно тому, какой из электродов в схеме включения транзистора будет являться общим, различают три основные схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Рис. 3.1. Схема с общим эммитером (ОЭ)

Рис. 3.2. Схема с общим коллектором (ОК)

Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. 3.1 — 3.6. Как следует из сопоставления рисунков, схемы эти идентичны и различаются лишь полярностью подаваемого напряжения.

Для определения входного (RBX.) и выходного (RBbix.) сопротивления каждой из схем включения, а также коэффициентов усиления по току (К,), напряжению (Ки) и мощности (КР=К|ХКи) расчетные и экспериментальные значения и формулы приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

Таблица с формулами приведена для приближенных расчетов, а для первоначальной, первичной оценки и сравнения свойств основных схем включения транзисторов предназначена вторая таблица с численными оценками.

Рис. 3.3. Схема с общей базой (ОБ)

Обозначения в таблице следующие: RH — сопротивление нагрузки; R3 — сопротивление эмиттера или отношение изменения напряжения на эмиттерном переходе к изменению тока эмиттера в режиме короткого замыкания в выходной цепи по переменному току; RB — сопротивление базы или отношение изменения напряжения между эмиттером и базой к изменению тока коллектора в режиме холостого хода входной цепи по переменному току; а — коэффициент усиления по току для схемы с общей базой; р — коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.

Рис. 3.4. Схема с общим эммитером (ОЭ)

Рис. 3.5. Схема с общим коллектором (ОК)

Рис. 3.6. Схема с общей базой (ОБ)

Наиболее часто в практических схемах используют режим включения транзистора с общим эмиттером (как обладающий наибольшим коэффициентом усиления по мощности).

Эмиттерные повторители (схемы с общим коллектором) применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Для построения высокочастотных усилителей (имеющих низкое входное сопротивление) используют схемы с общей базой.

В зависимости от наличия, полярности и величины потенциалов на электродах транзисторов различают несколько режимов его работы. Насыщение — транзистор открыт, напряжение на переходе К— Э минимально, ток через переходы максимален. Отсечка — транзистор закрыт, напряжение на переходе К — Э максимально, ток через переходы минимален. Активный — промежуточный между режимом насыщения и отсечки. Инверсный — характеризуется подачей на электроды транзистора обратной (инверсной) полярности рабочего напряжения.

В переключательно-коммутирующих схемах, имеющих только два состояния: включено (сопротивление ключевого элемента близко к нулю) и выключено (сопротивление ключевого элемента стремится к бесконечности), используются режимы насыщения и отсечки. Активный режим широко применяют для усиления сигналов. Инверсный режим используют достаточно редко, поскольку улучшить показатели схемы при таком включении транзистора не удается.

Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем (рис. 3.1, 3.2, 3.4, 3.5), можно принять величину сопротивления в коллекторной (эмиттерной) цепи равной нескольким кОм, а величину сопротивления в цепи базы в 30…50 раз большим. При этом напряжение на коллекторе (эмиттере) должно быть равно половине напряжения питания. Для схемы с общей базой (рис. 3.3, 3.6) величина сопротивления R3, обычно не превышает 0,1… 1 кОм, величина сопротивления R2 составляет несколько кОм.

Величины реактивных сопротивлений конденсаторов С1 — C3 для наиболее низких частот, которые требуется усилить, должны быть примерно на порядок ниже соединенных с ними активных сопротивлений R1 — R3 (рис. 3.1 — 3.6). В принципе, величины этих емкостей можно было бы выбрать со значительным запасом, но в этом случае увеличиваются габариты переходных конденсаторов, их стоимость, токи утечки, длительность переходных процессов и т.д.

В качестве примера приведем таблицу 3.3 для быстрого определения величины реактивного сопротивления конденсаторов для нескольких частот.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле:

Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. Следовательно, для усилителей постоянного тока (нижняя граничная частота усиления равна нулю) переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. Конденсаторы в цепях постоянного тока равносильны обрыву цепи. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами. Разумеется, в этом случае необходимо согласование уровней межкаскадных напряжений.

При усилении переменного тока в цепи нагрузки усилительных каскадов зачастую используют индуктивные элементы. Отметим, что реактивное сопротивление индуктивностей растет с увеличением частоты. Соответственно, с изменением сопротивления нагрузки от частоты, растет и коэффициент усиления такого каскада.

Помимо биполярных транзисторов широкое распространение приобрели более современные элементы — полевые транзисторы (рис. 3.7 — 3.9).

Рис. 3.7. Схема с общим истоком (ОИ)

Рис. 3.8. Схема с общим стоком (ОС)

По аналогии со схемами включения биполярных транзисто ров полевые включают с общим истоком, общим стоком и с об щим затвором.

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

Рис. 3.9. Схема с общим затвором (03)

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

Ориентировочно величина R1 (рис. 3.7 — 3.9) может быть от нескольких Ом до единиц МОм R2 — несколько кОм. Отметим, что, как и для биполярных транзисторов, полевые также допускают работу с отсечкой, с насыщением; активный и инверсный режимы.

Для увеличения коэффициента передачи по току биполярного транзистора используют «составные» транзисторы, включаемые по схеме Дарлингтона (рис. 3.10 — 3.13). Общий их коэффициент усиления несколько отличается от произведения коэффициентов усиления каждого из транзисторов. Одновременно ухудшается температурная стабильность схемы.

Рис. 3.10

Рис. 3.11

Рис. 3.12

Рис. 3.13

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год