Биполярные транзисторы

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Транзисторы – это один из основных активных компонентов электронных схем. Он представляет собой устройство, которое может усиливать входной сигнал по мощности. Увеличение мощности сигнала происходит за счет внешнего источника питания. Устройства, которые обладают свойством усиления по мощности, характеризуются, также, способностью к генерации, обусловленной подачей выходного сигнала обратно на вход по цепям ПОС (положительной обратной связи). Транзисторы являются неотъемлемой частью всякой электронной схемы, начиная от простейшего усилителя или генератора, до сложной цифровой вычислительной системы. Интегральные схемы (ИС), которые пришли на смену схемам, собранным на дискретных транзисторах, представляют собой совокупность транзисторов и других компонентов, построенных на едином кристалле полупроводникового материала. Поэтому знать, как работает отдельный транзистор, просто необходимо. К тому же довольно часто встречается, что подходящей ИС промышленность не выпускает и приходится прибегать к схемам, собранным на дискретных компонентах. Транзисторы различаются по числу основных видов носителей заряда, используемых при работе прибора. Транзисторы, в которых используются оба вида носителей, дырки и электроны, называются биполярными. Транзисторы, у которых используется только один основной носитель заряда (только дырки или только электроны) называются униполярными (полевыми) с каналом проводимости n или р типа. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор, в котором имеется кристаллическая пластина из кремния или германия определенной проводимости (р или n типа) с двумя электронно-дырочными переходами, находящимися на таком близком расстоянии друг от друга, что влияние одного перехода на другой прослеживается весьма значительно. Конструкция транзистора выглядит следующим образом. Основа транзистора является пластинка монокристаллического кремния или германия р или n типа. В пластине с двух противоположных сторон химическим путем выполнено фрезерование в результате чего толщина пластины в этом месте исчисляется одним-двумя десятками микрон. Затем в каждую из двух лунок, образовавшихся после фрезерования, вплавляется по небольшой капле донора или акцептора (индий, бор, алюминий, галий – акцепторы – элементы 3-й группы таблицы Менделеева, мышьяк, фосфор, сурьма – доноры – элементы 5-й группы). При этом некоторое количество примеси диффундирует в основную пластину с каждой стороны, образуя два расположенных параллельно друг-другу р-n перехода. Обычно одна лунка делается по площади значительно больше другой: Общая область кристалла, заключенная между двумя каплями примеси, называется основанием или базой. Малая капля примеси носит название эмиттер, большая – коллектор. В свою очередь переход, образованный каплей эмиттера, называется эмиттерным переходом, а переход, примыкающий к коллектору – коллекторным переходом. Исходя из вышеизложенного следует, что существуют биполярные транзисторы прямой р-n-р (база транзистора - полупроводник n-типа) и обратной n-р-n (база транзистора - полупроводник р-типа) проводимости. Условное графическое изображение таких транзисторов: Для нормальной работы любого транзистора необходимо подать на его электроды начальное смещение таким образом, чтобы эмиттерный переход был включен в прямом, а коллекторный – в обратном направлении. При этом падение напряжения на эмиттерном переходе составляет несколько десятых долей вольта, а на коллекторном – не менее нескольких вольт. При соблюдении этого условия транзисторы обладают хорошими усилительными свойствами: малый базовый ток управляет большим коллекторным током. Величина коллекторного тока зависит от напряжения на коллекторе и тока эмиттера. При некотором фиксированным токе эмиттера ток коллектора при увеличении напряжения на коллекторе сначала резко возрастает (электрические заряды из области базы интенсивнее втягиваются коллектором), а затем перестает расти (наступает насыщение тока). При увеличении тока эмиттера коллекторный ток опять начинает расти. Но безгранично увеличивать коллекторное напряжение и эмиттерный ток нельзя, т.к. это приведет к перегреву и выходу из строя транзистора. Включение транзисторов p-n-p и n-p-n типов будут отличаться друг от друга только полярностью источников питания: Еб = 0,15 – 0,2 В, для германиевых транзисторов; Еб = 0,5 – 0,6 В, для кремниевых транзисторов; Ек – несколько Вольт (по крайней мере, больше 1,5 В). ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Итак, биполярный транзистор это электронный прибор, имеющий три вывода (Б,К,Э). Транзисторы n-p-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные): 1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер (не менее, чем на 1,5 В). 2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды: Обычно диод Б-Э открыт, а диод Б-К смещен в обратном направлении. Потенциал базы для кремневых транзисторов должен превышать потенциал эмиттера не более, чем на 0,6 В. (прямое напряжение открытого диода). Из этого следует, что напряжение между базой и эмиттером Uбэ нельзя увеличивать неограниченно. Это может привести к возникновению очень большого базового тока и выходу из строя транзистора. Следовательно, в рабочем транзисторе напряжение на базе и эмиттере должно быть связано соотношением Uб < (или =) Uэ + 0,6В. 3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями коллекторного тока Iк, базового тока Iб, напряжением между коллектором и эмиттером Uкэ. Эти значения приводятся в справочниках. Также следует помнить о предельных значениях других параметров, например, рассеиваемой на коллекторе мощности (произведение Uкэ на Iк), температуры коллекторного перехода и др. 4. Если правила 1 – 3 соблюдаются, то ток Iк прямо пропорционален току базы и связан соотношением: Iк = h21э Iб, где h21э – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. Обычно составляет величину около 100, но для одних и тех же транзисторов может значительно разнится, в пределах 50 – 250. Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора. К сожалению, коэффициент усиления транзисторов (даже в пределах одной партии) сильно отличается друг от друга. Он зависит от многих факторов: сложности технологии изготовления, температуры окружающей среды, радиации, старения полупроводниковых материалов и др. Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет параметр h21э. Поэтому существуют специальные схемотехнические решения, обеспечивающие полную взаимозаменяемость транзисторов. РЕЖИМЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Биполярные транзисторы в электронных устройствах могут работать в самых различных режимах. Режимы работы усилительных элементов, к которым относятся транзисторы, принято обозначать латинскими буквами: А,В,С,D и т.д. Сравнительно большой ряд режимов работы объясняется как многообразием работы самих усилителей, так и очень широкой областью их применения. Режим работы зависит от положения точки покоя – заданной начальной точки на выходных статических вольтамперных характеристиках (ВАХ), которая обеспечивается определенным режимом питания транзисторов постоянным током. РЕЖИМ А Этот режим характеризуется тем, что точка покоя А выбирается в средней части нагрузочной прямой ВАХ, используемой для работы: Крайние положения точки покоя на нагрузочной прямой должны соответствовать заданной (максимальной) амплитуде выходного сигнала. Для того, чтобы обеспечить эффективный энергетический режим работы транзистора нижнее положение точки покоя (точка С) выбирается чуть выше кривой обратного тока коллектора Iкб0 (при Iб=0). Говорят, что уровень коллекторного тока ограничен снизу обратным током коллектора, а верхнее положение точки покоя (точка В) выбирается на изгибе выходной статической ВАХ, соответствующей максимальной амплитуде выходного сигнала (Iкм). Как видно из рисунка, точка А делит отрезок ВС нагрузочной прямой на две равные части. В связи с этим в режиме А при нормальном уровне сигнала, когда Iкм