Что такое биполярный транзистор?

Усиление током и усиление сигналов в схемах полупроводниковой электроники осуществляют с помощью транзисторов.

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с чередующейся проводимостью и снабженный тремя выводами для подключения к внешней цепи (рис 3, а и б).

Рис. 3

На схемах транзисторы обозначаются буквами VT (рис.3, в и г). Существуют два типа транзисторов: р-n-р-типа (рис.3, а и в) со словами р, n и р и: n-р-n-типа (рис.3, б и г) со словами n, р и n. Крайние слои называются эмиттером (Э), который в графическом обозначении имеет стрелку, и коллектором (К), между ними находится база (Б).

В трехслойной структуре имеются два электронно-дырочных перехода: эмиттерный переход между эмиттером и коллекторный переход базой и коллектором. В качестве исходного материала транзисторов используют германий и кремний.

Транзистор р-n-р-типа включается последовательно с сопротивлением нагрузки R_к в цепь источника Е_к (рис.3, д). На вход транзистора подается управляющая ЭДС Е_б. Такое включение транзистора, когда входная (Е_б и R_б) и выходная (Е_к и R_к) цепи имеют общую точку – эмиттер, является наиболее распространенным и называется включением с общим эмиттером (ОЭ).

Полярность внешних источников Е_к и Е_б выбирается такой, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение (для р-n-р-типа: минус источника Е_б подается на базу, плюс – на эмиттер, а на коллекторном переходе – обратное напряжение (минус источника Е_к на коллектор, а плюс – на эмиттер). При этом напряжение ׀U_кэ׀>׀ U_бэ׀, а напряжение на коллекторном переходе U_кб= U_кэ – U_бэ.

Транзистор описывается семействами выходных и входных характеристик.

Выходной или коллекторной характеристикой транзистора называется зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером I_к = f(U_кэ), снятая при неизменном токе базы I_б (рис. 4).

Рис. 4

Транзистор может находиться в трех состояниях: отсечки, насыщения и активном режиме.

В режиме отсечки I_б =0 и транзистор закрыт I_к =0.

В активном режиме при U_кэ U_кэ,н ток коллектора почти не зависит от U_кэ. Транзистор работает как управляемый источник тока и используется в качестве усилительного элемента. При изменении небольшого тока базы I_б изменяется ток коллектора I_к в соответствии с формулой: I_к = _ст· I_б + I'_ко, где _ст – статический коэффициент передачи базового тока. Его величина составляет десятки-сотни; I'_ко – обратный ток коллектора.

И режиме насыщения при U_кэ U_кэ,н транзистор находится в открытом состоянии, однако теряет свойства усилительного элемента, поскольку ток базы не вызывает изменение коллекторного тока. В этом режиме транзистор используется в качестве электронного ключа.

Входной характеристикой транзистора для схемы с ОЭ называют зависимость базового тока от напряжения между базой и эмиттером I_б =f(U_бэ), при постоянном напряжении U_кэ (рис. 5).

Рис. 5

При U_кэ = 0 оба перехода в транзисторе работают при прямом напряжении, токи коллектора и эмиттера суммируются в базе. Входная характеристика в этом режиме представляет собой ВАХ двух р-n-переходов (рис. 2), включенных параллельно. С увеличением напряжения U_кэ характеристика смещается вправо (эффект Эрли).

Кроме биполярных транзисторов существуют полевые транзисторы, которые практически не потребляют ток из входной цепи.