1. Биполярный транзистор и схемы его включения

Биполярный транзистор содержит два p-n перехода, которые образуются тремя слоями полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимостей, как условно показано на рис.1.7. Каждый из слоев снабжен электродом, необходимым для подключения к внешней цепи, и которые называются эмиттер, база и коллектор. P-n переход на границе эмиттерного слоя называется эмиттерным, а p-n переход на границе коллекторного слоя называют коллекторным. Возможны два типа транзисторов (p-n-p и n-p-n) в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних слоях, эмиттерном и коллекторном, а также в среднем, базовом слое. На рис.1.7 также представлены схемные обозначения обоих типов транзисторов.

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Тип этих носителей определяется проводимостью материала эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа p-n-p рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа n-p-n – электроны.

Рисунок 1.7. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа n-p-n и p-n-p и их схемные обозначения

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые при переносе от эмиттера к коллектору проходят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заряда нейтрализуется основными зарядами материала этого слоя (процесс рекомбинации), что схематически представлено на рис.1.8 для транзистора типа n-p-n. Биполярные транзисторы изготовляются так, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя. Кроме того, базовый слой делается тонким. В результате в этом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей заряда, поступающая из эмиттера, а основная часть рабочих носителей заряда проходит до коллектора.

Рисунок 1.8. Распределение токов в транзисторе n-p-n

Для обеспечения описанного процесса переноса рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжения соответствующей полярности от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора приведена на рис.1.8. Чтобы рабочие носители заряда (электроны) из эмиттерного слоя поступали в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан “минус”, а к базовому – “плюс”. Чтобы эти носители заряда из базового слоя достигли коллектора, к коллектору должен быть подан “плюс” относительно базы. Таким образом, для основных носителей заряда базового и коллекторного слоев коллекторный переход оказывается закрытым.

Перенос рабочих носителей заряда в транзисторе обусловливает протекание тока во внешней цепи. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда, то эмиттерный ток для транзистора типа n-p-n направлен от эмиттера, а коллекторный ток – к коллектору (см. рис.1.8).

Основную часть коллекторного тока составляет поток рабочих носителей заряда. Однако следует учитывать перенос через закрытый коллекторный переход неосновных носителей заряда базового и коллекторного слоев и связанное с этим протекание в коллекторной цепи обратного тока коллекторного перехода I (см. рис.1.8). Таким образом, если ввести в рассмотрение коэффициент передачи тока , показывающий, какая часть рабочих носителей заряда прошла к коллектору, то величина коллекторного тока транзистора может быть определена как

I = I + I. (1.1)

При низких температурах величина обратного тока коллекторного перехода мала. Однако при работе температура транзистора повышается, из-за чего возрастает концентрация неосновных носителей заряда в базовом и коллекторном слоях и существенно увеличивается обратный ток, значение которого удваивается через каждые 8 - 10 С.

Восполнение дырок в базовом слое, с которыми рекомбинируются электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источников ЭДС внешней цепи. Это обусловливает протекание базового тока, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли рабочих носителей заряда, которые рекомбинируются в базовом слое. В транзисторе типа n-p-n ток базы направлен к этому электроду. Функция базового электрода – управление потоком рабочих носителей заряда. Поскольку величина базового тока мала, то и уровень мощности, потребляемой транзистором на управление, невелик, в результате чего достигается эффективное управление током базы, протекающего через транзистор тока.

Токи транзистора должны удовлетворять первому закону Кирхгофа

I= I + I. (1.2)

Поскольку ток базы мал, часто при расчетах полагают, что I≈ I.

На рис.1.8 представлено включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ). Наряду с такой схемой на рис.1.9 представлены еще две возможные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Как видно из этого рисунка, схемы содержат две внешние цепи с соответствующими источниками ЭДС: входная (левые части схем) и выходная (правые части). Наименование схемы включения определяется по электроду, который является общим для двух этих цепей. Во всех трех схемах базовый электрод входит в состав входной цепи, поскольку по базе осуществляется управление работой транзистора. Нагрузка включается в выходную цепь.

Рисунок 1.9. Схемы включения биполярного транзистора типа n-p-n

а - с общей базой, б - с общим эмиттером, в - с общим коллектором

Полярность напряжений источников ЭДС и направления токов, показанные на рис. 1.9, приведены для транзистора типа n-p-n. В случае транзистора типа p-n-p, в связи с изменением типа рабочего носителя заряда, полярности напряжений источников ЭДС и направления токов должны быть изменены на противоположные.

Входные и выходные токи в трех схемах включения транзистора, а также напряжения между его электродами, определяемые источниками ЭДС, различны и перечислены в табл. 1.2.

Таблица 1.2