Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

~ ЛЕКЦИЯ 3 ~

Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Рассмотрим условное обозначение и структуру биполярных транзисторов.

Рисунок 19. Структура и условное обозначение биполярных транзисторов: а – n-p-n – типа, б – p-n-p – типа.

Электрод транзистора, который инжектирует носители заряда, называют эмиттером (Э); электрод, который собирает носители заряда – коллектором (К); управляющий электрод – базой (Б).

Переход между эмиттером и базой называют эмиттерным (ЭП); между базой и коллектором – коллекторным (КП).

Рисунок 20. Биполярный транзистор с внешними источниками питания.

Как видно из схемы, транзистор представляет собой по существу два полупроводниковых диода, имеющих одну область – базу. К эмиттерному p-n-переходу приложено напряжение внешнего источника ЭДС Е1 в прямом направлении, а к коллекторному n-p-переходу – напряжение внешнего источника ЭДС Е2 в обратном направлении. Обычно Е2 >> Е1.

Для пояснения принципа действия биполярного транзистора рассмотрим три случая работы схемы:

1. Ключи SA1 и SA2 замкнуты, ключ SA3 разомкнут. При замыкании ключей SA1 и SA2 через эмиттерный p-n-переход будет протекать прямой ток, созданный направленным движением основных носителей заряда – дырок эмиттера и электронов базы. При этом показания миллиамперметра mA1 будут равны показаниям миллиамперметра mA2,т.е. I₁ = I₂, а I₃ = 0.

Процесс переноса основных носителей заряда из эмиттера в базу под влиянием внешнего электрического поля называют инжекцией.

2. Ключ SA1 разомкнут, ключи SA2 и SA3 замкнуты.

При этом напряжение источника Е2 будет подключено ко второму n-p-переходу в обратном, или непроводящем, направлении, и в цепи будет протекать незначительный обратный ток, вызванный направленным движением неосновных носителей заряда – дырок базы и электронов коллектора, при этом показания миллиампер-метров mA2 и mA3 будут равны, т.е. I₂ = I₃.

3. Наибольший интерес представляет случай, когда замкнуты все три ключа. Рассмотрим прохождение тока при замыкании трех ключей.

В этом случае к участку эмиттер – база приложено напряжение источника Е1 в прямом направлении, сопротивление эмиттерного p-n-перехода поэтому уменьшается и через него протекает большой прямой ток, обусловленный перемещением дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер.

Так как концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то количество дырок, приходящих в базу из эмиттера, во много раз превышает число электронов, движущихся в противоположном направлении. Следовательно, почти весь ток, протекающий через эмиттерный p-n-переход, обусловлен дырками.

Дырки, попав в базу, для которой они являются неосновными носителями заряда, начинают рекомбинировать с электронами.

Так как толщина базы мала и рекомбинация – процесс не мгновенный, то почти все дырки достигают коллекторного n-p-перехода

Подойдя к коллектору, дырки начинают испытывать действие электрического поля, созданного напряжением Е2. Это поле для дырок является ускоряющим, и они быстро втягиваются из базы в коллектор и участвуют в создании тока коллектора.

Процесс втягивания неосновных носителей заряда из базы в коллектор под действием внешнего электрического поля называют экстракцией.

Дырки, которые рекомбинируют в области с электронами, участвуют в создании тока базы:

I_б = I_э – I_к .

Поэтому показания mA1 равны сумме показаний mA2 и mA3, т.е.

I₁ = I₂ + I₃.

Принцип действия транзисторов типа n-p-n, не отличается от рассмотренного выше. Отличие состоит в том, что в область базы вводиться из эмиттера не дырки, а электроны, и полярность напряжений, является противоположной.

Таким образом, функция эмиттерного перехода и процессы в эмиттерном переходе сводятся к инжекции носителей заряда (дырок) в базу.

Коллекторный ток транзистора I_к, обусловленный дырочной составляющей I_кр, связан с током эмиттера I_э коэффициентом передачи тока a:

a = I_кр / I_э.

Чем ближе a к 1, тем лучше усилительные свойства транзисторов.

Схемы включения и статические характеристики транзисторов

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепи, транзистор может быть включен в усилительный каскад тремя различными способами:

- по схеме с общей базой (ОБ);

- по схеме с общим эмиттером (ОЭ);

- по схеме с общим коллектором (ОК).

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)

В схеме включения с ОБ, общим электродом для входной и выходной цепи является база транзистора. В этой схеме на входе – открытый ЭП, на выходе – закрытый КП и R_вх < R_вых.

Рисунок 21. Схема включения транзистора по схеме ОБ.

Источник ЭДС Е_эб и переход эмиттер-база транзистора в этом случае можно рассматривать как входную цепь. Входным током является ток эмиттера I_э. Источник ЭДС Е_кб и переход коллектор-база транзистора следует рассматривать как выходную цепь. Выходной ток – ток коллектора I_к.