Лекция 3. Биполярный транзистор (триод)

Транзистор – это преобразовательный прибор, имеющий не менее трех выводов и пригодный для усиления мощности. Использование в качестве носителей зарядов обеих полярностей – электронов и дырок предопределило название полупроводниковых триодов – биполярные.

Рассмотрим, прежде всего, как работает транзистор, для примера p-n-p без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е1 и Е2 (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. - Схема подключения биполярного транзистора.

Обычно Е2  Е1. При замыкании ключей Пр1 и Пр2 через эмиттерный p-n - переход пройдет прямой ток, создаваемый направленным движением основных носителей заряда: дырок эмиттера и электронов базы. Путь тока: + Е1, А1, эмиттер, база, А2, ключи Пр2 и Пр1, - Е1.

Если ключ Пр1 разомкнуть, а ключи Пр2 и Пр3 замкнуть, то в цепи пройдет незначительный обратный ток.

При замыкании всех трех ключей в цепи эмиттер – база имеет место многократное расхождение между количеством дырок, проходящих в базу и числом электронов, движущихся в противоположном направлении. Это явление вызвано тем, что концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере, поэтому дырки, попав в базу, для которой они являются неосновными носителями заряда, начинают рекомбинировать с электронами. Но рекомбинация – процесс не мгновенный. Поэтому почти все дырки успевают пройти через тонкий слой базы и достигнуть коллекторного p-n-перехода прежде, чем произойдет рекомбинация. Пройдя к коллектору дырки, начинают испытывать действие электрического поля, создаваемого источником напряжения Е2. Это поле для дырок является ускоряющим, благодаря чему и создается ток коллектора.

Ток эмиттерного перехода состоит из двух составляющих: дырочной и электронной

.

В результате рекомбинации части дырок с электронами

.

Рисунок 3.2. - Распределение токов в биполярном транзисторе.

Для определения части дырок, прошедшей из эмиттера в коллектор вводят коэффициент переноса дырок в базе:

.

Стремятся получить значение коэффициента переноса как можно ближе к единице. Реально эта цифра находится в пределах 0,96 …0,996.

Одним из важнейших показателей эмиттерного перехода является так называемый коэффициент инжекции, показывающий какую часть от полного тока, занимает его дырочная составляющая ( = 0,97 … 0,995)

.

Коллекторный ток транзистора, обусловленный дырочной составляющей, связан с током эмиттера коэффициентом передачи тока

.

После перемножения числителя и знаменателя на значение , получим

Следовательно, коэффициент передачи тока тем ближе к единице, чем меньше от нее отличаются и .

Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению дополнительной неуправляемой составляющей тока коллектора, обусловленной протеканием обратного тока коллекторного перехода , часто называемого тепловым.

Рисунок 3.3. – Обозначение биполярного транзистора на принципиальных схемах.

Рисунок 3.4. – Внешний вид биполярных транзисторов.

Управляющие свойства транзистора, характеризующие изменение выходного (коллекторного) тока под действием подводимого входного тока , обуславливается изменением дырочной составляющей эмиттерного тока . Таким образом, принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзисторного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным током за счет изменения эмиттерного (входного) тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.

П ри работе под нагрузкой режим и параметры работы биполярного транзистора будут отличаться от ранее рассмотренного. Здесь транзистор используется в качестве усилителя электрических колебаний, работа которого основана на зависимости тока коллектора от величины напряжения, приложенного к участку эмиттер – база (см. рисунок).

При отсутствии переменного напряжения Uвх до момента t1 в цепи эмиттера протекает ток Iэ , а в цепи коллектора – ток Iк , почти равный по величине току Iэ . Проходя по сопротивлению тока нагрузки Uн = Iк Rн . При подаче на вход транзистора последовательно с напряжением Е1 переменного напряжения Uвх эмиттерный ток становится пульсирующим. При этом будет изменяться количество дырок, вводимых из эмиттера в базу, а, следовательно, и ток в цепи коллектора Iк. Этот ток, проходя через сопротивление нагрузки Rн, создает на нем пульсирующее напряжение, повторяющее по форме входной сигнал. Переменная составляющая пульсирующего Uвх отделяется с помощью конденсатора Ср от постоянной составляющей и подается на выход усилителя в виде переменного напряжения Uвых. Здесь следует подчеркнуть, что усиление сигнала с помощью транзистора происходит за счет потребления энергии источников питания. Сам транзистор выполняет функции свободного регулятора, который под воздействием слабого входного сигнала, введенного в цепь с малым сопротивлением, изменяет ток в выходной цепи, обладающей большим сопротивлением.

Число, показывающее во сколько раз переменное напряжение на выходе усилителя превышает напряжение сигнала на входе, называется коэффициентом усиления по напряжению и обозначается KU

KU = Uвых / Uвх = (Iк RН) / (Iэ rЭ ) .

Так как Iк  Iэ , то

KU  Rн / rэ.

Из вышеприведенного рассмотрения работы транзистора в качестве усилителя ясно, что ток Iк в выходной цепи всегда несколько меньше тока Iэ, протекающего во входной цепи. Тем не менее, одним из показателей, характеризующих усилительные свойства транзистора, является так называемый коэффициент усиления по току KI , представляющий собой отношение приращения выходного тока к вызвавшему его приращению входного тока. Для приведенной выше схемы включения транзистора коэффициент усиления по току KI =  Iк / Iэ - величина меньше единицы (0,9 … 0,99) и носит более точное название «коэффициент передачи тока эмиттера» и обозначается буквой . Чем больше коэффициент , тем больше коэффициенты усиления транзистора по напряжению и по мощности (KP = KI · KU).

Принцип действия транзистора, собранного по иной структурной схеме – n-p-n, не отличается от рассмотренного выше. Здесь в область базы вводится из эмиттера не дырка, а электрон.

Различные схемы включения транзисторов имеют разные свойства, но принцип усиления электрических колебаний в них одинаков.