Биполярный транзистор и принципы его работы

Биполярный транзистор содержит два p-nперехода, которые образуются тремя слоями полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимостей, как условно показано на рис.5. Каждый из слоев снабжен электродом, необходимым для подключения к внешней цепи, и которые называются эмиттер, база и коллектор. P-nпереход 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.5 также представлены схемные обозначения обоих типов транзисторов.

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

Рис.5. 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, что схематически представлено на рис.6 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 более 90% рабочих носителей заряда доходят до коллектора.

Рис.6. 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.6. 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 нему 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.6).

Основная часть коллекторного тока обусловлена потоком 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 I (см. рис.6). Таким образом, если ввести в рассмотрение коэффициент передачи тока , обусловленного рабочими носителями заряда, то величина коллекторного тока транзистора может быть определена как

I = I + I . (1)

При низких температурах величина обратного тока 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, которые нейтрализуют 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 нейтрализуются в базовом слое. В транзисторе типа n-p-n ток базы направлен к этому электроду. Функция базового электрода – управление потоком рабочих носителей заряда. Малая величина базового тока обусловливает малый уровень мощности, потребляемой транзистором на управление.

Токи транзистора должны удовлетворять первому закону Кирхгофа

I = I + I . (2)

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

Рис.7. Схемы включения биполярного транзистора

а - с общей базой, б - с общим эмиттером

На рис.6 и 7, а представлено включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ), в которой входным электродом является эмиттер, выходным – коллектор, а база входит в состав и входной, и выходной цепей. Поскольку I ≈ I , эта схема является усилителем напряжения. Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером (ОЭ), приведенная для транзистора типа n-p-n на рис.7, б. В этой схеме входным электродом является база, выходным – коллектор, а эмиттер является общим как для входной, так и выходной цепей. Входной, базовый ток много меньше выходного, коллекторного. Выходное напряжение, между коллектором и эмиттером, много больше входного, между базой и эмиттером. В связи с этим схема ОЭ осуществляет усиление и тока и напряжения, а поэтому ею обеспечивается наибольшая величина коэффициента усиления по мощности.

Полярность напряжений источников ЭДС и направления токов, показанные на рис.7, 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.