3.2. Устройство биполярного транзистора

Рис. 2.7. Внутренне устройство и схемотехническое обозначение биполярного n-p-n транзистора

Биполярный транзистор состоит из двух p‑n переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. Тонкий слой слабо легированного полупроводника одного типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями другого типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона. Соответственно возможны два варианта: база p‑типа с эмиттером и коллектором n‑типа (n‑p‑n транзистор, показан на рис. 2.7) и база n‑типа с эмиттером и коллектором p‑типа (p‑n‑p транзистор).

Видно, что переходы база-эмиттер и база-коллектор представляют собой диоды. Для нормальной работы транзистора необходима такая полярность, чтобы переход база-эмиттер был открыт, а переход база-коллектор – закрыт. Соответственно, потенциал базы должен быть больше потенциала эмиттера, а потенциал коллектора – больше потенциала базы. При этом переход база-эмиттер работает как обычный диод, с падением напряжения приблизительно 0,6 В. Когда этот переход открыт, основная доля тока из эмиттера вследствие конструкции транзистора (тонкая слабо легированная база) проходит через закрытый переход база-коллектор далее в коллектор. При этом существует слабый ток в базу, обусловленный рекомбинацией дырок и электронов в области базы. Согласно закону Кирхгофа:

I_э= I_б + I_к.

По сравнению с полевыми транзисторами, у которых очень мал ток затвора, биполярные транзисторы не могут работать с источниками сигнала с очень большим внутренним сопротивлением. Кроме того, схемы на биполярных транзисторах получаются сложнее, т. к. необходимо обеспечить ток базы. Однако по сравнению с полевыми транзисторами у биполярных транзисторов больше крутизна (способность к усилению).

Рис. 2.8. Представление транзистора двумя диодами

3.3. Диодная модель

Существует несколько моделей работы биполярного транзистора, из которых самой простой является диодная модель. В ней транзистор представляется двумя диодами (рис. 2.8). Диод база-эмиттер работает как обычный диод, а диод база-коллектор, хотя и смещен в обратном направлении, все равно проводит ток. Этот ток определяется выражением:

I_к = h_21э·I_б.

Коэффициент h_21э называют коэффициентом передачи по току. Его величина для современных транзисторов лежит в диапазоне от нескольких единиц до тысячи. Таким образом, задавая малый ток базы, можно управлять большим током коллектора. Часто коэффициент h_21э обозначают как .

3.4. Модель Эберса-Молла

Рис. 2.9. Эквивалентная схема транзистора в модели Эберса-Молла

Диодная модель представляет собой грубое, «нулевое» приближение транзистора. Следующим приближением, более правильно описывающим работу транзистора, является модель Эберса-Молла. Эта модель является линейным приближением, которое хорошо работает при достаточно малых сигналах и напряжении коллектор-база больше некоторого напряжения насыщения (около 1 В).

При выполнении этих условий транзистор можно представить эквивалентной схемой, изображенной на рис. 2.9. Ток коллектора I_к экспоненциально зависит от напряже­ния база-эмиттер:

,

где мВ при комнатной температуре; дифференциальное сопротивление эмиттера определяется по формуле .