2.2.2. Принцип действия биполярного транзистора

Для того чтобы транзистор работал в усилительном (активном) режиме, необходимо, чтобы переход эмиттер–база (эмиттерный переход) был открыт, т.е. на него было подано прямое напряжение, а переход коллектор–база (коллекторный переход) был закрыт, т.е. на него было подано обратное напряжение (рис. 2.28, а,б).

Рассмотрим принцип работы диффузионного транзистора. Если приложены напряжения U_эб и U_кб, то в этом случае эмиттерный переход откроется и электроны будут инжектировать в базу, а дырки из базы – в эмиттер. Однако концентрация электронов в эмиттере значительно больше, чем дырок в базе, поэтому инжекция будет носитель односторонний характер – из эмиттера в базу. Вблизи эмиттерной области в базе появится большое количество электронов, которые вследствие диффузионных сил (концентрация в коллекторе меньше, чем в эмиттере) начнут направленно двигаться к коллектору. Поскольку база имеет очень малую ширину, то время пробега электрона по базе оказывается меньше времени рекомбинации электрона в базе, что позволяет подавляющему большинству электронов, инжектированных из эмиттера в базу, достичь коллекторного перехода (98 % и более). К коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а электроны в базе не основные носители, поэтому для них электрическое поле коллектора будет ускоряющим, и электроны из базы перейдут в коллектор, образуя ток коллектора. Если теперь изменять ток эмиттера, то будет меняться и ток коллектора. Таким образом в трехслойной структуре появилась возможность управлять выходным током (током коллектора), меняя входной ток (ток эмиттера), при этом ток коллектора не зависит от напряжения на коллекторе, а определяется током эмиттера. Небольшая часть электронов, которая рекомбинировалась в базу, образует базовый ток, который является разницей между током эмиттера и током коллектора

I_б = I_э – I_к

или

I_э = I_к + I_б. (2.1)

Это токовое уравнение транзистора выполняется не только для абсолютных величин тока, но и для их изменений.

dI_э = dI_к + dI_б. (2.2)

Однако следует подчеркнуть, что уравнения (2.1) и (2.2) справедливы только для усилительного режима. Учитывая, что I_к >> I_б, часто в расчетных формулах применяется, что I_э  I_к.

Напряжение U_эб приложено в прямой полярности, поэтому его величина и приращение составляют десятые доли вольт, а напряжение U_кб – в обратной полярности и может составлять десятки, сотни вольт, а ток I_э  I_к. Следовательно, мощность на входе транзистора (на эмиттер–базовом переходе) значительно меньше мощности на выходе транзистора (на коллектор–базовом переходе). Это позволяет сделать вывод, что транзистор является усилительным элементом. Следует отметить, что в такой схеме включения транзистора усиление происходит только по мощности, а по току усиления нет (I_к < I_э, dI_к < dI_э). Для того, чтобы было усиление сигнала по напряжению, необходимо в цепь коллектора включить добавочное сопротивление, величина которого должна быть больше, чем сопротивление открытого база–эмиттерного перехода (рис. 2.27).

Если принять U_эб = U_вх, а I_кR_доб = U_вых, то коэффициент усиления по напряжению может быть найден следующим образом:

,

,

.

Принимая , получим

.

Так как , тобудет больше единицы или транзистор усилит входной сигнал не только по мощности, но и по напряжению.