Устройство биполярного транзистора
Биполярный транзистор – это полупроводниковый трехэлектродный прибор, электроды которого подключены к трем последовательно находящимся слоям, обладающим различной проводимостью.
Биполярные транзисторы классифицируют по:
- Типу прибора.
- Материалу изготовления. Биполярные транзисторы могут быть сделаны из арсенида галлия или кремния.
- Наибольшей рассеиваемой мощности. У биполярных транзисторов рассеиваемая мощность может быть от 0 до 0,3 ватт, от 0,3 до 3 ватт и более 3 ватт.
- Величине частоты. Согласно данному признаку частота биполярного транзистора может составлять до 3 мегагерц (низкая), от 3 до 30 мегагерц (средняя), от 30 до 300 мегагерц (высокая) и более 300 мегагерц (сверхвысокая).
Пример упрощенной схемы биполярного транзистора изображен на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема биполярного транзистора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
1 - эмиттер; 2 - база; 3 - коллектор
Биполярный транзистор состоит из трех полупроводниковых слоев, у которых чередуется тип примесной проводимости: базы, коллектора и эмиттера. В зависимости от порядка их чередования различают n-p-n транзисторы и p-n-p транзисторы. К каждому слою транзистора подключаются невыпрямляющие контакты.
Примесная проводимость – это электрическая проводимость, которая обусловлена наличием в полупроводнике акцепторных и донорных примесей.
С точки зрения проводимости коллекторный и эмиттерный слои неразличимы, но при этом они отличаются друг от друга степенью легирования, которое осуществляется с целью улучшения параметров прибора, а именно - коллекторный слой легируется слабо, что способствует повышению допустимого коллекторного напряжения, а эмиттерный слой транзистора легируется сильно для обеспечения лучшей инжекции неосновных носителей в базовый слой, что способствует повышению коэффициента передачи по току. Базовый слой легируется слабо, потому что он располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и поэтому должен обладать большим электрическим сопротивлением.
Режимы работы биполярного транзистора и его основные параметры
У биполярного транзистора существуют следующие режимы работы:
- Активный.
- Режим отсечки.
- Режим насыщения.
- Барьерный режим.
В активном режиме работы транзистор включается таким образом, чтобы его эмиттерный переход был смещен прямо (открыт), а коллекторный в обратном направлении (закрыт). В транзисторе типа n-p-n электроны, которые являются носителями заряда эмиттере, инжектируются (проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы). Некоторая часть данных электронов рекомбинируется с дырками (основными носителями заряда в базе). Но из-за малой легированности базы, часть носителей заряда эмиттера диффундируют в область коллектора. Сильное электрическое поле коллекторного перехода захватывает электроны и отправляет их в коллекторный слой, поэтому электрический ток коллектора практически равен току эмиттера, за исключением потерь в рекомбинации, таким образом:
$Iэ = Iб + Iк$
где: Iэ, Iб, Iк - электрический ток эмиттера, базы и коллектора соответственно.
В режиме отсечки оба p-n перехода закрыты. Переход эмиттер-база открывается с некоторого значения прямого приложенного напряжения, обычно это напряжение составляет 0,6 В. В данном режиме в переходах мало свободных носителей заряда, поэтому протекание электрического тока полностью прекращается, исключениями являются только побочные токи переходов. В случае отсутствия токов утечки транзистор в режиме отсечки эквивалентен обрыву цепи.
В режиме насыщения оба перехода открыты, поэтому основные носители заряда могут активно перемещаться из эмиттера и коллектора в базу. Таким образом в базе транзистора возникает избыток носителей заряда, что способствует уменьшению ее сопротивления и сопротивления p-n переходов, а из-за этого между эмиттером и коллектором начинает протекать электрический ток. В идеальном случае транзистор при данному режиме работы эквивалентен замыканию цепи.
В барьерном режиме работы биполярный транзистор его база соединена по постоянному току накоротко или через резистор с его коллектором. В коллекторную или эмиттерную цепь транзистора включается резистор, который задает электрический ток через транзистор. Таким образом, в барьерном режиме, биполярный транзистор представляет собой диод, который включен последовательно с токозадающим резистором. Данные схемы каскадов отличаются небольшим количеством комплектующих, нечувствительностью к параметрам транзистора, хорошей развязкой по высокой частоте и большим диапазоном рабочей температуры.
К основным параметрам биполярных транзисторов относятся: максимальный допустимый электрический ток, коэффициент передачи по току, обратный ток коллектора, входное сопротивление, время отключения, предельная частота коэффициента передачи тока базы и другие. Параметры биполярных транзисторов делятся на вторичные и первичные. Первичные параметры характеризуют их свойства, вне зависимости от схемы включения, которым относятся сопротивления эмиттера, коэффициент усиления по току. Вторичные параметры зависят от схемы включения транзистора, поэтому основными вторичными параметрами считаются гибридные: входное сопротивление, выходная проводимость и т.п.
