1
Лекция
Тема: БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1. Общие сведения о биполярных транзисторах
Биполярным транзистором (БТ) называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся областей полупроводника с разным типом проводимости
(𝑝 − 𝑛 − 𝑝 или 𝑛 − 𝑝 − 𝑛) и выводом от каждой области. Работа биполярного транзистора зависит от носителей обеих полярностей.
Структурные схемы и условные обозначения биполярного транзистора приведены
на рис. 1.
Рис. 1. Структурные схемы и условные обозначения биполярного транзистора:
а – типа р-п-р; б – типа п-р-п
Выводы транзистора называются эмиттером (э), коллектором (к) и базой (б). Эмиттерная и коллекторная области отличаются тем, что в эмиттерной области концентрация
примесей много больше, чем в коллекторной области.
Переход между Э и Б называется эмиттерным переходом, переход между К и Б коллекторным переходом. Токи в биполярных транзисторах проходят через оба p-nперехода и образуются носителями зарядов двух полярностей (электронами, дырками).
Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор изготовлен в самостоятельном корпусе, а отсутствие кружка – что транзистор выполнен заодно с другими элементами на пластинке полупроводника, представляющей интегральную микросхему. Стрелка на условном обозначении транзистора ставится на эмиттере и направлена всегда от робласти к п-области.
Биполярные транзисторы классифицируют по двум параметрам:
1) по мощности: маломощные (Рвых ≤ 0,3 Вт), средней мощности (Рвых = 0,3…1,5
Вт), мощные (Рвых >1,5 Вт);
2) по частотным свойствам: низкочастотные (f ≤ 0,3 МГц), средней частоты (f
=0,3…3 МГц), высокой частоты (f = 3…30 МГц) и сверхвысокой частоты (f >30 МГц).
2
Биполярные транзисторы используются в электронных устройствах для усиления
сигналов по току, напряжению, мощности или в качестве электронных ключей.
Достоинствами биполярных транзисторов являются высокая предельная рабочая
температура (до 200 °С для кремниевых БТ). Входное сопротивление БТ мало, а выходной ток обеспечивается носителями обеих знаков (электронов, дырок).
Недостатками биполярных транзисторов являются их хрупкость, влияние частоты
на усилительные свойства, температуры и радиации на режимы работы и характеристики.
2. Схемы включения биполярных транзисторов
Схемы включения биполярного транзистора приведены на рис. 2.
Рис. 2. Схемы включения биполярного транзистора:
а – с общей базой (ОБ), б – с общим эмиттером (ОЭ); в – с общим коллектором (ОК)
Используют три схемы включения биполярного транзистора:
- с общей базой (ОБ);
- с общим эмиттером (ОЭ);
- с общим коллектором (ОК).
Рассмотрим работу транзистора типа р-п-р в схеме с ОБ (рис. 2, б). При отсутствии
внешних напряжений токи через р-п-переходы отсутствуют. Если на эмиттер подать
напряжение, положительное относительно базы, а на коллектор – отрицательное относительно базы, то потенциальный барьер в эмиттерном р-п-переходе уменьшится на приложенное напряжение, а в коллекторном переходе – увеличится.
Снижение потенциального барьера в эмиттерном переходе приводит к тому, что
тормозящее действие поля в переходе ослабляется, в результате чего дырки могут переходить из эмиттера в базу, а электроны – в обратном направлении. Количество примесей,
3
введенных в материал эмиттера, значительно больше, чем концентрация электронов в
области базы. Поэтому возникающий эмиттерный ток состоит преимущественно из дырок.
Благодаря очень малой ширине базы (примерно 0,05 мм) основная часть дырок,
преодолевших эмиттерный переход, достигнув коллекторного перехода, захватывается
его электрическим полем и направляется в коллектор. Таким образом, наряду с эмиттерным током возникает почти равный ему коллекторный ток.
Принцип работы биполярного транзистора типа п-р-п аналогичен рассмотренному
принципу работы транзистора типа р-п-р. Разница состоит в том, что в транзисторе типа
п-р-п напряжения подводятся с противоположной полярностью.
Коэффициент передачи тока в схеме с ОБ:
𝛼=|
𝑑𝑖к
|
𝑑𝑖э 𝑢 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
= 0,95 … 0,98.
к
Коэффициент усиления по току:
𝐾𝐼 =
∆𝑖вых
∆𝑖вх
=
∆𝑖к
∆𝑖э
= 𝛼.
Коэффициент усиления по напряжению: 𝐾𝑈 =
∆𝑢вых
∆𝑢вх
.
В схеме с ОБ 𝐾𝑈 ≤ 1000.
Коэффициент усиления по мощности: 𝐾𝑃 = 𝐾𝐼 𝐾𝑈 .
Режимы работы биполярных транзисторов:
1) активный режим: открыт эмиттерный переход и закрыт коллекторных переход
(рис. 2,а);
2) режим отсечки: оба перехода закрыты, существенного тока через транзистор
нет (изменить полярность входного напряжения);
3) режим насыщения: оба перехода открыты и через них протекают токи (изменить
полярность выходного напряжения);
4) инверсный режим: открыт коллекторный переход и закрыт эмиттерный переход
(изменить полярности обоих напряжений на рис. 2,а).
На рис. 2, б приведена схема включения биполярного транзистора с ОЭ.
Коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ:
𝛽=|
𝑑𝑖к
|
𝑑𝑖б 𝑢 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
к
= 10 … 100, 𝛽 =
𝛼
1−𝛼
.
4
Коэффициент усиления по току:
𝐾𝐼 =
∆𝑖вых
∆𝑖вх
=
∆𝑖к
∆𝑖б
= 𝛽.
Коэффициент усиления по напряжению 𝐾𝑈 примерно такой же, как в схеме с ОБ.
Входные и выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ приведены на рис. 3.
Рис. 3. Характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ:
а – входная; б – выходная
Нелинейность характеристик биполярного транзистора обусловлена свойствами р-пперехода.
Схема включения биполярного транзистора с ОК приведена на рис. 2, в.
𝐾𝐼 = 𝛽 + 1; 𝐾𝑈 ≈ 1.
Поскольку 𝑢вых = 𝑢вх , схему с ОК называют «эмиттерным повторителем».
Входное сопротивление схемы с ОК:
𝑅вх = 𝛽𝑅н ,
где 𝑅н - сопротивление нагрузки.
Входное сопротивление схемы с ОК может составлять десятки килоОм и многократно превосходит входное сопротивление схем с ОБ и ОЭ.
5
3. Схема замещения биполярного транзистора
Транзистор является весьма сложным прибором и не может быть описан однойдвумя величинами, как резистор или конденсатор. Для транзисторов используют схемы
замещения – математические модели, характеризующие некоторые его свойства с заданной точностью и в определенных пределах.
Для схемы с ОЭ в режиме усиления малого сигнала получила распространение схема замещения, приведенная на рис. 4.
Рис. 4. Схема замещения биполярного транзистора
На данной схеме БТ характеризуется ℎ-параметрами линейного четырехполюсника
– электрической схемы с двумя входными и двумя выходными контактами:
𝑢 = ℎ11 𝑖1 + ℎ12 𝑢2
∆𝑢 = ℎ11 ∆𝑖б + ℎ12 ∆𝑢кэ
=> { бэ
{ 1
𝑖2 = ℎ21 𝑖1 + ℎ22 𝑢2
∆𝑖к = ℎ21 ∆𝑖б + ℎ22 ∆𝑢кэ .
Рис. 5. Представление схемы с ОЭ в виде четырехполюсника
При ∆𝑖б = 0 имеем режим холостого хода на входе, при ∆𝑢кэ = 0 имеем режим короткого замыкания на выходе.
6
Физический смысл ℎ-параметров:
ℎ11 =
∆𝑢бэ
- входное сопротивление (Ом) транзистора при коротком замыкании на
∆𝑖б
выходе, 𝑈КЭ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡;
ℎ12 =
∆𝑢бэ
∆𝑢кэ
ℎ21 = 𝛽 =
- коэффициент обратной связи по напряжению при 𝐼Б = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡;
∆𝑖к
∆𝑖б
- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе,
𝑈КЭ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡;
ℎ22 =
𝐼Б = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
∆𝑖к
∆𝑢кэ
- выходная проводимость (См) транзистора при холостом ходе на входе,
