Тема 3. Транзисторы. Устройство и принцип

Действия биполярного транзистора

Транзистор (от англ. слов transfer – переносить и resistor – сопротивление) – полупроводниковый прибор, имеющий три и более внешних вывода, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования мощности электрических сигналов. В зависимости от принципа действия транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные). В настоящее время чаще всего применяют полевые транзисторы, однако биполярные транзисторы по-прежнему используются в широкополосных Internet-модемах, компьютерных приставках к телевизору, DVD-плеерах и CD-ROMах.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с тремя чередующимися областями полупроводников разного типа электропроводности (p-n-p или n-p-n) и двумя p-n-переходами, протекание тока в которых обусловлено носителями заряда обоих знаков – как дырками, так и электронами (отсюда и название – биполярные транзисторы).

Рис. 10. Устройство сплавного транзистора структуры p-n-p	Рис. 11. Схематическое изображение транзисторов разных структур (VT – вентиль транзисторный)

 

Транзистор сплавного типа представляет собой пластинку германия (рис. 10), кремния или другого полупроводника размером 2×2 мм, обладающего электронной (n-типа) или дырочной (p-типа) электропроводностью, в объеме которой искусственно созданы две области, противоположные по электрической проводимости. Пластинка полупроводника и две области в ней образуют два p-n-перехода, каждый из которых обладает такими же электрическими свойствами, как и полупроводниковый диод. Если сама пластинка полупроводника обладает электропроводностью n-типа, а созданные в ней области – электропроводностью p-типа, то такой транзистор будет структуры p-n-p. Если электропроводность пластинки p-типа, а электропроводность ее областей n-типа, структура такого транзистора n-p-n (рис. 11).

Независимо от структуры транзистора внутренняя область между двумя p-n-переходами называется базой Б. Область меньшего объема, которая является источником носителей заряда и предназначена для их инжектирования в базу, называется эмиттером Э (электрод со стрелкой на рис. 11; стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор). Область бóльшего объема, которая предназначена для экстрактирования (вытягивания) носителей из базы, называется коллектором К. p-n-переход между коллектором и базой называется коллекторным, между эмиттером и базой – эмиттерным.

Принцип действия и схемы включения

Биполярного транзистора

При отсутствии внешних напряжений распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда показано на рис. 12, б пунктирными линиями. Концентрация дырок в эмиттере и коллекторе больше, чем концентрация электронов в базе. В состоянии равновесия на границах p-n-переходов (П₁ и П₂) возникают потенциальные барьеры, как показано на рис. 12, в. Если к выводам транзистора подключить внешние напряжения таким образом, что эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном, то такое включение соответствует усилительному режиму работы транзистора и называется нормальным. Применительно к структуре p-n-p-типа такому смещению переходов соответствуют напряжения > 0 и < 0. При наличии внешних напряжений распределение концентраций носителей заряда показано на рис. 12, б сплошными линиями, потенциальные барьеры показаны на рис. 12, д.

 

Рис. 12. Структура биполярного транзистора типа p-n-p, распределение потенциала φ и концентраций основных и неосновных носителей

 

При этом потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшился на величину , а потенциальный барьер коллекторного перехода увеличился на величину . Поскольку потенциальный барьер коллекторного перехода увеличился, дырки через этот переход из коллектора в базу не поступают. Снижение потенциального барьера эмиттерного перехода приводит к тому, что увеличивается количество дырок, которые могут преодолеть этот барьер и перейти в базу, в результате чего концентрация дырок на границе эмиттерного перехода увеличивается. При этом создаются условия для движения электронов из базы в эмиттер, но так как концентрация дырок на 2-3 порядка выше, бóльшая часть дырок после рекомбинации с электронами базы попадает в базовую область и образует ток эмиттера .

Для базы дырки являются неосновными носителями. В базе происходит рекомбинация дырок с электронами, поступающими от "–" источника питания , поэтому концентрация дырок в базе начинает уменьшаться. За счет того, что база выполняется очень тонкой (толщина базовой области  составляет несколько микрометров), время свободного пробега дырок через базу намного меньше времени их жизни. Таким образом, бóльшая часть дырок быстро проходит базовую область, достигает границы коллекторного перехода, втягивается его полем в коллекторную область и образует ток коллектора .

Ток базы  характеризует ту часть дырок, которая теряется на рекомбинацию с основными носителями базы (электронами) и с электронами, поступающими от "–" источника питания .  – обратный ток коллекторного перехода (обусловлен движением неосновных носителей заряда через коллекторный переход).

Ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы:

.                                    (1)

Ток коллектора

,                                  (2)

где  – коэффициент передачи тока от эмиттера к коллектору.

.

Рассматриваемая схема включения транзистора (рис. 12, г) называется схемой с общей базой (ОБ), так как база является общим электродом для входной и выходной цепи. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, существует три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). В схеме с ОБ эмиттерный ток называется управляющим, а коллекторный ток – управляемым.

Схема с ОБ усилением по току не обладает, так как ток коллектора меньше тока эмиттера < . Усиление по мощности в данной схеме может быть достигнуто только за счет усиления по напряжению. Схематическое изображение усилительного каскада (УК) по схеме с ОБ показано на рис. 13 (каскад – схема, обеспечивающая одну ступень усиления). Входное и выходное сопротивления УК по схеме с ОБ:

;

,

где  – сопротивление, которое включается в цепь коллектора (сопротивление коллекторной нагрузки);  – сопротивление эмиттерного перехода.

Так как эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном, то сопротивление  составляет единицы ÷ десятки Ом, а сопротивление коллекторного перехода  – сотни кОм ÷ единицы МОм. Значит, при включении в выходную цепь транзистора сопротивления коллекторной нагрузки , которое составляет единицы ÷ десятки кОм, изменение напряжения на сопротивлении  за счет тока  превышает изменение напряжения на сравнительно малом входном сопротивлении эмиттерной цепи  за счет тока  (рис. 13).

Выражения для расчета коэффициентов усиления УК по схеме с ОБ приведены ниже.

Коэффициент усиления по току

< 1.

Коэффициент усиления по напряжению

.

Коэффициент усиления по мощности

.

В схеме с ОЭ входным током является ток базы , выходным – ток коллектора  (рис. 14). Для получения соотношения между входным  и выходным  токами в схеме с ОЭ подставим выражение (1) в уравнение (2). Тогда

.

Решаем полученное уравнение относительно :

.

.

.

,                           (3)

где  – коэффициент передачи тока от базы к коллектору в схеме с ОЭ.

При изменении  от 0,9 до 0,999 коэффициент  изменяется в пределах . Таким образом, схема с ОЭ обладает значительным усилением по току. Так как эта схема обладает также усилением по напряжению, усиление по мощности данной схемы значительно выше, чем в схеме с ОБ:

.

Кроме того, схема с ОЭ характеризуется малым значением тока базы во входном контуре:

. (4)

Указанные преимущества и обусловили широкое практическое применение схемы с ОЭ. Схематическое изображение УК по схеме с ОЭ показано на рис. 15.

 

Рис. 15. УК по схеме с ОЭ	Рис. 16. УК по схеме с ОК

 

Входное и выходное сопротивления УК по схеме с ОЭ:

;

,

где  – сопротивление базы.

Напряжение на выходе каскада с ОЭ находится в противофазе с напряжением на его входе.

В схеме с ОК входным током является ток базы , выходным – ток эмиттера . Для схемы с ОК соотношение между входным и выходным токами имеет вид:

.                               (5)

Коэффициент усиления по току УК по схеме с ОК (рис. 16)

.

Коэффициент усиления по напряжению

.

Следовательно, схема с ОК не обладает усилением по напряжению, коэффициент усиления по току значительный.

Входное и выходное сопротивления УК по схеме с ОК:

.

.

Если кОм, β = 100, то входное сопротивление составляет кОм; при этом выходное сопротивление равно десятки Ом. Значит, каскад с ОК обладает очень низким выходным сопротивлением и очень высоким входным, поэтому его используют на входе многокаскадного усилителя, если источник сигнала имеет большое внутреннее сопротивление, и на выходе – если нагрузка низкоомная.

В схеме с ОК напряжение на выходе совпадает по фазе с напряжением на входе и примерно равно ему по значению, поэтому УК с ОК называют эмиттерным повторителем.

Сравнительная характеристика УК на биполярных транзисторах

Каскад с ОЭ дает усиление по току, напряжению и максимальное усиление по мощности, каскад с ОК – по току и мощности, каскад с ОБ – по напряжению и мощности. Наибольшее входное сопротивление имеет каскад с ОК, наименьшее – каскад с ОБ; наименьшее выходное сопротивление имеет каскад с ОК. Преимущества УК с ОБ:

1) большая термостабильность;

2) при использовании одного и того же транзистора в схеме с ОБ можно получить неискаженный выходной сигнал с бóльшей амплитудой, чем в схеме с ОЭ.

Недостатки УК с ОБ:

1) не усиливает ток;

2) малое входное сопротивление.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: