1.4.5. Биполярный транзистор

В первом приближении биполярный транзистор можно рассматривать как электронный прибор, имеющий два встречно включённых p-n перехода. Напомним, что биполярные транзисторы могут быть двух типов. В качестве базового рассматриваем транзистор n-p-n типа. Его учебная схема приведена на рисунке 29. На этой схеме к транзистору приложены напряжения смещения, соответствующие схеме с ОБ, полярность этих напряжений определяет возможность вывода транзистора в рабочий режим.

Рис. 29. Базовая схема биполярного транзистора.

У биполярного транзистора области коллектора и эмиттера легированы в большей степени, чем область базы. Размер коллектора для «стандартного» транзистора больше размера области эмиттера, область базы меньше области эмиттера.

Чтобы «заставить» транзистор более или менее правильно работать, необходимо учитывать следующие «простые» правила (приводятся полярности напряжений для n-p-n транзистора, для p-n-p – типа полярности должны быть изменены на противоположные):

1) Для работы биполярного транзистора необходимо обеспечить правильное смещение его переходов, оно задаётся напряжениями смещения – это напряжение базы относительно эмиттера и коллектора относительно базы. Коллектор должен иметь более положительный потенциал, чем эмиттер.

2) Цепи база – эмиттер и база – коллектор работают как диоды (рис. 30). Обычно «диод» база – эмиттер открыт, а «диод» база – коллектор смещён в обратном направлении. Для p-n-p транзистора диоды схемы рисунка 30 нужно «перевернуть».

Рис. 30. Простейшая эквивалентная схема n-p-n транзистора

Примечание: Вариант эквивалентной схемы замещения транзистора, изображенный на рисунке 30, обычно используется электронщиками для первичной проверки – прозвонки транзистора на целостность переходов. Она осуществляется аналогично проверке обычных диодов.

3) Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями I_к, I_б, U_кэ. Превышение этих значений – выход прибора из строя. Есть и другие максимально допустимые значения, например, максимально допустимая рассеиваемая мощность, температура, U_бэ и др.

4) При выполнении правил 1 – 3, ток коллектора I_к прямо пропорционален току базы I_б:

I_к = h_21Э I_б = β I_б , (14)

где h_21Э (или β) – коэффициент усиления по току в схеме ОЭ.

Этот коэффициент составляет десятки для «среднестатистических» транзисторов, сотни и тысячи – для «выдающихся». Это правило определяет основное свойство транзистора: малый ток базы управляет большим током коллектора.

Миронова -?

Рис. 31. Выходная характеристика …

Рис. 35.

Рис. 32. ОПЗ биполярного транзистора, потенциальная диаграмма, где W_Б – ширина области базы, W_Бэф – эффективная ширина области базы (эффект Эрли)

Кратко по физике процессов работы транзистора. Эмиттер «эмитирует» свои основные носители (электроны) в область базы. Через переход база – эмиттер эти носители переходят «без затруднений» - он открыт напряжением смещения. Далее эти электроны свободно проходят через базу и поступают в коллектор, участвуя в приращении тока коллектора наряду с его собственными основными носителями. В приращении тока коллектора участвуют и не основные носители заряда (точнее – при создании управляющего базового тока). В этой связи и использован термин - биполярный транзистор. Эффект Эрли заключается в уменьшении эффективной толщины базы под воздействием смещений переходов. Чем меньше толщина базы, тем большее число электронов эмиттера доходит до коллектора.

Примечания: 1. Коллекторный ток обеспечивается только основными носителями эмиттера и коллектора. 2. Гальваническая развязка управляемого и управляющего каналов у биполярного транзистора отсутствует. Он является токовым прибором в отличии от полевого транзистора с индуцируемым каналом. Последний имеет гальваническую развязку входных и выходных цепей, стремящуюся к «идеалу». Абсолютная гальваническая развязка в электронных схемах обеспечивается трансформаторной связью между цепями, либо связью через оптопару (используется в некоторых конструктивах блоков питания ПК ATX). Возможны и другие варианты гальванической развязки.

Режим работы транзистора определяется выбором его рабочей точки (РТ), рабочая точка задаётся выбором напряжений смещений переходов и токами через прибор. В реальных схемах РТ определяется внешними по отношению к транзистору электрическими цепями.

Можно выделить 2 базовых режима работы транзистора:

1. Активный - режим усиления малого сигнала. В этом режиме используются 2 режима усиления: класса А и Б (правило 4 выполняется).

2. Ключевой или импульсный – транзистор работает в двух граничных состояниях: 1 – режим насыщения (транзистор включен), 2 – режим отсечки (управляющий сигнал слишком силён или слишком слаб для выполнения правила 4).