9) Биполярный транзистор, структура, схема замещения.

Основой биполярного транзистора является сочетание двух p-n переходов, общей частью которых является тонкий слой полупроводника, называемый базой. Выводы двух других электродов называются

коллектором и эмиттером. Концентрация носителей в базовой области должна быть ниже, чем в эмиттере и коллекторе. При включении транзистора по схеме с заземленной (общей) базой напряжение усиливаемого сигнала включается между эмиттером (слева) и базой. При указанной на рисунке полярности сигнала переход база-эмиттер смещен в прямом направлении. Если пренебречь падением напряжения на открытом p-n переходе, ток источника сигнала определится как Iэ=e/ri , где ri – внутреннее сопротивление источника сигнала. Вследствие малой толщины базовой области, большая часть тока источника сигнала (свыше 90%) протекает не через базовый вывод, а через коллектор. Этому способствует то, что носители тока (электроны), попавшие в область коллектора, ускоряются электрическим полем источника питания, приложенным в основном к p-n переходу. Соотношение между токами эмиттера и коллектора определяется коэффициентом усиления тока в схеме с общей базой, зависящим от конструктивного выполнения транзистора α =Ik/Iэ. Величина α обычно лежит в пределах 0.95-0.99, то есть, величина тока базы составляет лишь несколько процентов от тока коллектора. Несмотря на то, что ток коллектора несколько меньше тока источника сигнала, данная схема осуществляет усиление мощности сигнала с коэффициентом приблизительно равным R/ri. Усиление осуществляется за счет того, что транзистор работает в режиме источника тока, потребляя энергию источника питания. Недостатками усилительного каскада с общей базой являются малое входное и большое выходное сопротивление (для получения значительного усиления сопротивление нагрузки должно превышать внутреннее сопротивление источника сигнала), что затрудняет согласование усилителя с источником сигнала и нагрузкой. Тем не менее, усилители данного типа находят применение в высокочастотных устройствах, поскольку, как будет показано в дальнейшем, обладают наилучшими частотными свойствами среди всех схем включения биполярных транзисторов. Схема усилительного каскада с общим эмиттером отличается от рассмотренной выше включением источника сигнала между базой и эмиттером. При таком включении наблюдается эффект усиления тока

источника сигнала, I _k =α\(1 – α) I _б, причиной которого является положительная обратная связь через источник питания. Протекание тока источника сигнала через переход база-эмиттер приводит к инжекции носителей заряда в область коллектора, ускорению их электрическим полем источника питания и возврату тока в переход эмиттер-база. С учетом этих процессов, транзистору в схеме с общим эмиттером может быть приписан коэффициент усиления тока β = α\(1 − α) , величина которого может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен. Схема с общим эмиттером обладает значительным усилением по напряжению, току и мощности, однако ее высокочастотные свойства значительно хуже, чем у схемы с общей базой.

Для расчетов усилительных каскадов применяют схемы замещения транзисторов разной степени детализации. Эти схемы строятся с использованием линейных элементов (резисторов, емкостей и др.) и так называемых зависимых источников тока или напряжения. Примером простой схемы замещения транзистора является предлагаемая Т-образная схема замещения n-p-n транзистора с использованием зависимого источника тока. На рисунке элементами схемы замещения транзистора являются сопротивления базы и эмиттера и зависимый источник тока, ток которого определяется током базы с коэффициентом усиления β. Полярность напряжения питания для n-p-n транзистора – положительная, для p-n-p – отрицательная. Не учитывается необходимость приложения к базе транзистора постоянного положительного напряжения для открывания перехода база-эмиттер. Коэффициент усиления по току β считается постоянным и не зависящим от приложенного к транзистору напряжения, что не соответствует реальному поведению транзистора в режиме насыщения. Кроме того, схема не учитывает зависимостей параметров транзистора от частоты и многих других факторов. Тем не менее, данная схема замещения пригодна для приблизительного определения коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений усилительного каскада в режиме малого сигнала. Под малым сигналом будем понимать такие величины усиливаемых каскадом перепадов напряжений, при которых схема далека от режимов насыщения и отсечки, а все изменения токов и напряжений связаны между собой зависимостями, близкими к линейным. Для типичного транзистора малой мощности значение rб имеет порядок сотни Ом, rэ – 20-25 Ом, β - порядка 50-100.