4. Основные теоретические положения:

Биполярный транзистор представляет собой систему двух взаимодействующих р-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями зарядов обоих знаков – основными и неосновными, что отражено в названии транзистора. В зависимости от чередования р- и n-областей различают биполярные транзисторы n-p-n структуры и p-n-p структуры.

Одна из крайних областей имеет более высокую степень легирования и меньшую площадь. Её называютэмиттером. Другую крайнюю область называют коллектором. Среднюю область транзистора называют базой. Переход, образованный эмиттером и базой, называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой, – коллекторным переходом.

Рассмотрим принцип действия транзистора n-p-n структуры.

Пусть эмиттерный переход транзистора смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (рисунок 7). Поскольку эмиттер легирован намного сильнее базы, то при прямом смещении эмиттерного перехода будет происходить инжекция электронов из эмиттера в базу. Под воздействием градиента концентрации инжектированные электроны будут двигаться по направлению к коллектору. Часть электронов рекомбинирует в базе и образует ток базыI_Б. Но поскольку база тонкая, то основная часть электронов дойдет до коллекторного перехода, будет захвачена ускоряющим полем перехода и переброшена в коллектор, создавая ток коллектора.

Полный ток коллектора I_К складывается из тока электронов, дошедших до коллектора, и обратного тока коллекторного перехода I_КБО, не зависящего от тока эмиттера

I_К = α I_Э + I_КБО

где α – статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Транзистор, имеющий входную и выходную цепи, можно рассматривать как четырехполюсник. Так как у транзистора всего три вывода, то один из выводов неизбежно должен быть общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора:

• с общей базой (ОБ);

• с общим эмиттером (ОЭ);

• с общим коллектором (ОК).

Наибольшее распространение в схемотехнике получила схема ОЭ.

Как любой четырехполюсник транзистор характеризуется следующими формальными параметрами.

Входное сопротивление – h₁₁ = ∆U_БЭ/∆I_Б.

Выходное сопротивление – 1/h₂₂ = ∆U_КЭ/∆I_К.

Коэффициент передачи по току h₂₁ = ∆I_R/∆I_Б, h₂₁ = B.

Коэффициент внутренней обратной связи h₁₂ = ∆U_БЭ/∆U_КЭ.

Основными статическими вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора являются входные и выходные характеристики.

Под входными характеристиками понимают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, являющимся параметром.

Под выходными характеристиками понимают зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, являющимся параметром.

Характеристики, снятые при разных значениях параметра, образуют семейство характеристик.

Рассмотрим статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. В этом случае входная характеристика представляет собой зависимость тока базы I_Б от напряжения база-эмиттер U_БЭ при постоянном напряжении коллектор-эмиттер U_КЭ:

I_Б = f(U_БЭ); U_КЭ = const

а выходная характеристика – зависимость тока коллектора I_К от напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ при постоянном токе базы I_Б:

I_К = f(U_КЭ); I_Б = const

Рассмотрим входные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рисунок 9). Пусть U_КЭ = 0. При этом оба перехода включены в прямом направлении. Транзистор работает в режиме насыщения. Электроны переходят в базу как из эмиттера, так и из коллектора.

Вэтом режиме при заданном напряжении база-эмиттер ток базы будет максимальным.

При U_КЭ > U_БЭ (например, при U_КЭ = 1 В) транзистор переходит в нормальный активный режим. В этом режиме ток базы резко уменьшается.

Поскольку при U_КЭ > 1 В входные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером слабо зависят от напряжения коллектор-эмиттер, то в справочниках обычно приводят две характеристики: одну при U_КЭ = 0, а вторую – при U_КЭ > 1 В, для маломощных транзисторов указывается U_КЭ = 5 В.

При увеличении температуры входные вольт-амперные характеристики будут смещаться влево с температурным коэффициентом напряжения

ТКН ≈ – 2 мВ/⁰С.

Найдем связь тока коллектора с током базы в нормальном активном режиме

I_К = α·I_Э + I_КБО

Но I_Э = I_К + I_Б. Тогда

I_К = α·I_К + α·I_Б + I_КБО

Разрешим полученное уравнение относительно тока коллектора

Величину называютстатическим коэффициентом передачи тока базы.

Если α = 0,99, то В = 99.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току В >> 1, в отличие от схемы с общей базой, в которой коэффициент передачи по току α < 1.

С учетом введенного обозначения получим

I_К = В·I_Б + (В + 1) I_КБО

При токе базы I_Б = 0 в цепи коллектора протекает обратный ток коллектор-эмиттер

I_КЭ0 = (В + 1) I_КБО

Для транзисторов на основе кремния ток I_КЭ0 << I_К.

Поэтому коэффициент передачи тока базы определяют на основе соотношения

В = I_К /I_Б

Рассмотрим выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рисунок 10).

Вактивном режиме с ростом напряжения коллектор-эмиттер ток коллектора возрастает, что обусловлено эффектом модуляции толщины базы.

В схеме с общим эмиттером выходные характеристики сильно зависят от температуры, смещаясь с ростом температуры вверх, что объясняется увеличением коэффициента В.

Таблица 4 - Выбор варианта и типа транзистора

№ Варианта	Тип транзистора	№ Варианта	Тип транзистора
1	Q2N4400	11	PN2369
2	Q2N2895	12	PN2369A
3	Q2N2896	13	PN4274
4	ВС394	14	PN4275
5	BF258	15	PN5134
6	BSS71	16	PN5135
7	Q2N3500	17	PN5136
8	Q2N3501	18	PN5137
9	Q2N4014	19	PN3642
10	Q2N4400	20	PN3641