Біполярний транзистор
1. Загальні відомості
Транзистори - це напівпровідникові прилади, придатні для посилення потужності і мають три висновки або більше. У транзисторах може бути різне число переходів між областями з різною електропровідністю. Найбільш поширені транзистори з двома n-p-переходами, звані біполярними, оскільки їх робота заснована на використанні носіїв заряду обох знаків. Перші транзистори були точковими, але вони працювали недостатньо стійко. В даний час виготовляються і застосовуються виключно площинні транзистори.
Пристрій площинного біполярного транзистора показано схематично на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Пристрій площинного біполярного транзистора
Транзистор являє собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якій створені три області з різною електропровідністю. Для прикладу взято транзистор типу n-p-n, що має середню область з діркової, а дві крайні області - з електронною електропровідністю. Широко застосовуються також транзистори типу p-n-p, в яких діркової електропровідністю мають дві крайні області, а середня має електронну електропровідність.
Середня область називається базою транзистора, одна крайня область - емітером, інша - колектором. Таким чином, в транзисторі є два n-p-переходу: емітерний - між емітером і базою і колекторний - між базою і колектором. Відстань між ними повинна бути дуже низькою, не більше одиниць мікрометрів, тобто область бази повинна бути дуже тонкою. Це є умовою хорошої роботи транзистора. Крім того, концентрація `рація домішок у базі завжди значно менше, ніж у колекторі і емітері. Від бази, емітера і колектора зроблені висновки.
Для величин, що відносяться до бази, емітер і колектора, застосовують як індекси букви «б», «е» і «до». Струми в проводах бази, емітера і колектора позначають відповідно Іб, iе, Ік. Напруження між електродами позначають подвійними індексами, наприклад напруга між базою і емітером Uб-е, між колектором і базою Uк-б. На умовному графічному позначенні (рис. 5.2) транзисторів p-n-p і n-p-n стрілка показує умовне (від плюса до мінуса) напрямок струму в проводі емітера при прямій напрузі на емітерний перехід.
Рис. 5.2. Умовне графічне позначення транзисторів
Транзистор може працювати в трьох режимах залежно від напруги на його переходах.
Активний режим - напруга на емітерний перехід пряме, а на колекторному - зворотне.
Режим відсічки (замикання) - зворотна напруга подано на обидва переходу.
Режим насичення - на обох переходах пряму напругу.
Основним є активний режим. Він використовується в більшості підсилювачів та генераторів. Режими відсічки та насичення характерні для імпульсної роботи транзистора.
У схемах з транзисторами зазвичай утворюються два ланцюги: вхідні (керуюча) - в неї включають джерело підсилюються сигналів і вихідна (керована) - у неї включається навантаження.
2. Принцип дії n-p-n транзистора
Розглянемо принцип роботи транзистора, на прикладі n-p-n транзистора в режимі без навантаження, коли включені тільки джерела постійних живлячих напруг E1 і E2 (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Схема включення n-p-n транзистора без навантаження
Полярність їх така, що на емітерний перехід напруга пряме, а на колекторному - зворотне. Тому опір емітерного переходу мало і для отримання нормального струму в цьому переході достатньо напруги E1 в десяті частки вольта. Опір колекторного переходу велике, і напруга E2 зазвичай складає одиниці або десятки вольт. Зі схеми на рис. 5.3 видно, що напруги між електродами транзистора пов'язані простою залежністю
.
При роботі транзистора в активному режимі зазвичай завжди Uб-е <<Uк-б і, отже, Uк-е »Uк-б.
Вольт-амперна характеристика емітерного переходу представляє собою характеристику напівпровідникового діода при прямому струмі, а вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна характеристиці діода при зворотному струмі.
Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряме напруга емітерного переходу, тобто ділянки база - емітер (Uб-е), істотно впливає на струми емітера і колектора. Чим більше це напруга, тим більше струми емітера і колектора. При цьому зміни струму колектора лише незначно менше змін струму емітера. Таким чином, напруга Uб-е, тобто вхідна напруга, управляє струмом колектора. Посилення електричних коливань за допомогою транзистора засноване саме на цьому явищі.
Фізичні процеси в транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги Uб-е знижується потенційний бар'єр у емітерний перехід і відповідно зростає струм через цей перехід - струм емітера iе. Електрони цього струму инжектируются з емітера в базу і завдяки дифузії проникають крізь базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора. Оскільки колекторний перехід працює при зворотній напрузі, то в цьому переході виникають об'ємні заряди, показані на малюнку гуртками зі знаками «+» і «-». Між ними виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, які прийшли сюди з емітера, тобто втягують електрони в область колекторного переходу.
Якщо товщина бази достатньо мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. У результаті рекомбінації виникає струм бази. У сталому режимі число дірок у базі має бути незмінним. Внаслідок рекомбінації кожну секунду скільки-то дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямку до плюса джерела E1 таке ж число електронів. Інакше кажучи, в базі не може накопичуватися багато електронів. Якщо деяке число інжектованих в базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбініруя з дірками, то точно таке ж число електронів повинно йти з бази у вигляді струму Іб. Оскільки струм колектора виходить менше струму емітера, то відповідно до першого закону Кірхгофа завжди існує наступне співвідношення між струмами:
Струм бази є непотрібним і навіть шкідливим. Бажано, щоб він був якомога менше. Зазвичай Iб становить малу частку (відсотки) струму емітера, тобто
, А отже, струм колектора лише незначно менше струму емітера і можна вважати 
. Саме для того, щоб струм Iб був якомога менше, базу роблять дуже тонкої і зменшують в ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менше число електронів буде рекомбінувати в базі з дірками.
Якби база мала значну товщину і концентрація дірок в ній була велика, то більша частина електронів емітерного струму, диффундируя через базу, рекомбинировали б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.
Коли до емітерного переходу напруга не докладено, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. У цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, тому що основні носії зарядів віддаляються від цього переходу і по обидва боки від кордону створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з p-області і дірок з n-області.
Важлива властивість транзистора - приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струму транзистора змінюються майже пропорційно один одному.
Подібні ж процеси відбуваються в транзисторі типу p-n-p, але в ньому міняються ролями електрони і дірки, а також змінюються полярності напружень та напрямки струмів (рис. 5.3). У транзисторі типу p-n-p з емітера і базу инжектируются не електрони, а дірки, які є для бази неосновними носіями. Зі збільшенням струму емітера більше таких дірок проникає через базу до колекторного переходу. Це викликає зменшення його опору і зростання струму колектора.
Роботу транзистора можна наочно представити за допомогою потенційної діаграми, яка наведена на рис. 5.4 для транзистора типу n-p-n. Потенціал емітера прийнятий за нульовий. У емітерний перехід є невеликий потенційний бар'єр. Чим більша напруга Uб-е, тим нижче цей бар'єр. Колекторний перехід має значну різницю потенціалів, що прискорює електрони.
Рис. 5.4. Потенційна діаграма роботи n-p-n транзистора
Крім розглянутих основних фізичних процесів в транзисторах доводиться враховувати ще ряд явищ.
Суттєво впливає на роботу транзисторів опір бази rб0, тобто опір, який база надає току бази Iб (нуль в індексі тут означає, що дана величина відноситься до постійного струму.) Цей струм протікає до висновку бази в напрямку, перпендикулярному напрямку емітер-колектор. Так як база дуже тонка, то в напрямку від емітера до колектора, тобто для струму Ік її опір дуже мало і не береться до уваги. А в напрямку до висновку бази опір бази rб0 (його називають поперечним) досягає сотень ом, тому що в цьому напрямку база аналогічна дуже тонкому провіднику. Напруга на емітерний перехід завжди менше, ніж напруга Uб-е між висновками бази і емітера, тому що частина напруги, що підводиться втрачається на опорі бази. З урахуванням опору rб0 можна зобразити еквівалентну схему транзистора для постійного струму (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Еквівалентна схема транзистора для постійного струму
На рис. 5.5, rе0 - опір емітера, в яке входять опір емітерного переходу і емітерний області. Значення rе0 у малопотужних транзисторів досягає десятків ом, оскільки напруга на емітерний перехід не перевищує десятих вольта, а струм емітера в таких транзисторах становить одиниці міліампер. У більш потужних транзисторів більше і iе0 відповідно менше. Опір rб0 визначається формулою (в омах)
де струм iе виражається в міліамперах.
Опір колектора rко представляє собою практично опір колекторного переходу і складає одиниці і десятки килоом. У нього входить також опір колекторної області, але воно порівняно мало і їм можна знехтувати.
Розглянута еквівалентна схема є дуже наближеною, оскільки насправді емітер, база і колектор мають між собою контакт не в одній точці, а в безлічі точок по всій площі переходів. Тим не менш, ця схема може застосовуватися для розгляду багатьох процесів у транзисторі.
При підвищенні напруги на колекторному переході в ньому відбувається лавинне розмноження носіїв заряду, через ударної іонізації. Це явище і тунельний ефект здатні викликати електричний пробій, який при зростанні струму може перейти в тепловий пробій переходу. Електричний і тепловий пробій колекторного переходу в транзисторі відбувається в основному так само, як і в діоді. Але в транзисторі при надмірному колекторному струмі може виникати тепловий пробій без попереднього електричного пробою, тобто без підвищення напруги на колекторному переході до пробивного. Це явище, пов'язане з перегрівом колекторного переходу називається вторинним пробоєм.
Зміна напружень на колекторному і емітерний переходах супроводжується зміною товщини цих переходів. У результаті змінюється товщина бази. Таке явище називають модуляцією товщини бази. Його особливо треба враховувати при підвищенні напруги колектор-база, тому що тоді товщина колекторного переходу зростає, а товщина бази зменшується.
При дуже тонкої базі може відбутися ефект змикання («прокол» бази) - з'єднання колекторного переходу з емітерний. У цьому випадку область бази зникає і транзистор перестає нормально працювати.
При збільшенні інжекції носіїв з емітера в базу відбувається накопичення неосновних носіїв заряду в базі, тобто збільшення концентрації і сумарного заряду цих носіїв. І навпаки, при зменшенні інжекції відбувається зменшення концентрації і сумарного заряду неосновних носіїв у базі. Цей процес називають розсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі.
Розглянемо співвідношення між струмами в транзисторі. Струм емітера управляється напругою на емітерний перехід, але до колектора доходить трохи менший струм, який можна назвати керованим колекторним струмом Ік. упр.. Частина інжектованих з емітера в базу носіїв рекомбінує, тому
де a - коефіцієнт передачі струму емітера, що є основним параметром транзистора. При нормальних токах він може мати значення від 0,950 до 0,998. Чим слабкіше рекомбінація інжектованих носіїв у базі, тим ближче а до 1.
Через колекторний перехід завжди проходить дуже невеликий (не більше одиниць мікроампер) некерований зворотний струм Iк0 (рис. 5.6). Цей струм називають ще початковим струмом колектора. Він некерований тому, що не проходить через емітерний перехід. Таким чином, повний колекторний струм
(5.1)
Рис. 5.6. Напрямки струмів в транзисторі
У багатьох випадках
і тому можна вважати, що 
.
Перетворимо формулу (5.1)
Висловимо:
Позначимо
і 
тоді
; (5.2)
тут
- Коефіцієнт передачі струму бази і становить декілька десятків. Наприклад, якщо a = 0,95, 
а якщо a = 0,99, то 
Тобто при збільшенні a на 0,04, b збільшився в п'ять разів.
Висловимо а через b:
Слід зауважити, що коефіцієнт a не є строго постійним. Він залежить від режиму роботи транзистора, зокрема від струму емітера. При малих і великих струмах a зменшується, а при деякому середньому значенні струму досягає максимуму. У межах робочих значень струму емітера зменяется порівняно мало.
Коефіцієнт b змінюється залежно від режиму роботи транзистора набагато більше, ніж коефіцієнт a. При деякому середньому значенні струму емітера коефіцієнт b максимальний, а при менших і більших струмах він знижується, причому іноді в кілька разів.
Струм Ік-е0 називають початковим наскрізним струмом, тому що він протікає крізь весь транзистор (через три його області і через обидва n-p-переходу) в тому випадку, якщо Iб = 0, тобто обірваний провід бази. З (5.2) при Iб = 0 одержуємо Ік = Ік-е0. Наскрізний струм складає десятки або сотні мікроампер і значно перевершує початковий струм колектора Iк0.
або 
а тому 
, То 
Порівняно великий струм Ік-е0 пояснюється тим, що деяка частина напруги Uк-е, прикладена до емітерного переходу в якості прямої напруги. Внаслідок цього зростає струм емітера, а він у даному випадку і є наскрізним струмом.
При значному підвищенні напруги Uк-е, струм Ік-е0 різко зростає і відбувається електричний пробій.
3. Посилення за допомогою транзистора
Розглянемо схему підсилювального каскаду з транзистором n-p-n типу (рис. 5.7). Ця схема називається схемою з загальним емітером (ОЕ), тому що емітер є загальною точкою для входу і виходу схеми.
Рис. 5.7. Схема включення транзистора з ОЕ
Вхідна напруга, яке необхідно посилити, подається від джерела коливань ІК на ділянку база - емітер. На базу подано також позитивний зсув від джерела E1, яке є прямим напругою для емітерного переходу. Ланцюг колектора (вихідна ланцюг) живиться від джерела E2. Для отримання посиленого вихідної напруги в цей ланцюг включена навантаження Rн.
C1 - конденсатор великої ємності необхідний для того, щоб не відбувалася втрата частини вхідної змінної напруги на внутрішньому опорі джерела E1. C2 - необхідний для того, щоб не було втрати частини вихідного посиленої напруги на внутрішньому опорі джерела E2.
Розглянемо еквівалентну схему колекторної ланцюга (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Еквівалентна схема колекторної ланцюга при включенні транзистора з ОЕ
Робота підсилювального каскаду з транзистором відбувається наступним чином. Напруга джерела E2 ділиться між опором навантаження і внутрішнім опором транзистора r0, яке він робить постійному струму колектора. Це опір наближено дорівнює опору колекторного переходу rк0 для постійного струму. Насправді до опору rк0 ще додаються невеликі опору емітерного переходу, а також n - і p-областей, але ці опору можна не брати до уваги.
Якщо у вхідні ланцюг включається джерело коливань, то при зміні його напруги змінюється струм емітера, а отже, опір колекторного переходу rк0. Тоді напруга джерела E2 буде перерозподілятися між Rн і rк0. При цьому змінну напругу на peзіcтopе навантаження Rн може бути отримано в десятки разів більшим, ніж вхідна змінна напруга. Зміни струму колектора майже рівні змін струму емітера і у багато разів більше змін струму бази. Тому в даній схемі виходить значне посилення струму і дуже велике посилення потужності.
Для більшої наочності розглянемо роботу підсилювального каскаду з транзистором на числовому прикладі. Нехай живлять напруги E1 = 0,2 В і E2 = 12 В, опір резистора навантаження Rн = 4 кОм і опір транзистора r0 при відсутності коливань на вході також дорівнює 4 кОм, тобто повний опір колекторному ланцюзі дорівнює 8 кОм. Тоді струм колектора, який можна наближено вважати рівним току емітера, становить
Напруга E2 розділиться навпіл, напруга на Rн і на r0 буде по 6 В.
Нехай oт джерела коливань на вхід надходить змінну напругу з амплітудою 0,1 В. Максимальна напруга на ділянці база - емітер при позитивній полуволне стає рівним 0,3 У. Припустимо, що під впливом цієї напруги струм емітера зростає до 2,5 мА. Таким же практично стане і струм колектора. Він створить на резисторі навантаження падіння напруги 2,5 · 4 = 10 В, а падіння напруги на опорі r0 транзистора зменшиться до 12-10 = 2 В. Отже, цей опір зменшиться до 2:2,5 = 0,8 кОм.
Через полперіода, коли джерело коливань дасть напругу, рівну - -0,1 В, станься зворотне явище. Мінімальна напруга база - емітер стане 0,2-0,1 = 0,1 В. Токи емітера і колектора зменшаться до 0,5 мА. На резисторі Rн падіння напруги зменшиться до 0,5 · 4 = 2 В, а на опорі r0 воно зросте до 10 В. Отже, цей опір збільшиться до 10:0,5 = 20 кОм.
Таким чином, подача на вхід транзистора змінної напруги з амплітудою 0,1 В викликає зміна опору від 0,8 до 20 кОм. При цьому напруги на резисторі навантаження і на транзисторі змінюються на 4 В в ту і іншу сторону (від 10 до 2 В). Отже, вихідна напруга має амплітуду коливань 4 В, тобто воно в 40 разів більше вхідного напруги. Цей числовий приклад є наближеним, оскільки насправді залежність між струмом колектора та вхідною напругою нелінійна.
Наступні рівняння:
вхідна напруга
;
напруга на ділянці база - емітер
де 
;
струм колектора
напруга на навантаженні
де
і 
напруга на виході
де
3.1. Схеми включення транзисторів (ПРО, ОК, ОЕ)
Застосовують три основні схеми включення транзисторів у підсилювальні чи інші каскади. У цих схемах один з електродів транзистора є загальною точкою входу і виходу каскаду. Щоб уникнути помилок при цьому треба пам'ятати, що під входом (виходом) розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) змінна напруга. Не слід розглядати вхід і вихід по постійній напрузі.
Основні схеми включення транзисторів називаються відповідно схемами з загальним емітером (ОЕ), загальною базою (ПРО) і загальним колектором (ОК). Принцип посилення коливань у всіх цих каскадах однаковий, але властивості схем різні.
3.2. Схема з загальним емітером (ОЕ)
Ця схема зображена на рис. 5.7 і є найбільш поширеною, тому що вона дає найбільше посилення по потужності.
Коефіцієнт посилення по струму ki - це відношення амплітуд (або діючих значень) вихідного і вхідного змінного струму, тобто змінних складових струмів колектора і бази:
.
Підсилювальні властивості транзистора при включенні його за схемою ОЕ характеризує один із головних його параметрів - статичний коефіцієнт посилення по струму (або коефіцієнт передачі струму) для схеми ОЕ, що позначається b. Оскільки він повинен характеризувати тільки сам транзистор, то його визначають в режимі без навантаження (Rн = 0), тобто при постійній напрузі ділянки колектор-емітер:
, При u к-е = const.
Коефіцієнт посилення каскаду по напрузі дорівнює відношенню амплітудних або діючих значень вихідної і вхідної змінної напруги. Вхідним є змінна напруга база - емітер Uб-е, а вихідним - змінну напругу на резисторі навантаження UR, що відповідає напрузі між колектором і емітером Uк-е:
Коефіцієнт посилення каскаду по потужності kp є ставлення вихідний потужності до вхідних. Кожна з цих потужностей визначається половиною твори амплітуд відповідних струмів і напруг:
тому
Важливою величиною для транзистора є його вхідний опір, що визначається за законом Ома. Для схеми ОЕ
Каскад за схемою ОЕ при посиленні перевертає фазу напруги, тобто між вихідним і вхідним напругою є фазовий зсув 180 °.
Гідність схеми ОЕ - зручність харчування її від одного джерела, оскільки на колектор і базу подаються живлять напруги одного знака.
Недоліки даної схеми - гірші порівняно зі схемою ПРО частотні і температурні властивості. З підвищенням частоти посилення у схемі ОЕ знижується в значно більшому ступені, ніж у схемі ПРО. Режим роботи схеми ОЕ сильно залежить від температури.
Схема із загальною базою (ПРО) tc "5.4.2. Схема із загальною базою (ПРО)"
Схема з ПРО показана на рис. 5.10. Ця схема дає значно менше посилення no потужності і має ще менше вхідний опір, ніж схема ОЕ, все ж її іноді застосовують, так як за своїми частотним і температурним властивостями вона значно краще схеми ОЕ.
Коефіцієнт посилення по струму каскаду ПРО завжди трохи менше одиниці:
. К. струм колектора завжди лише небагато менше струму емітера.
Статичний коефіцієнт посилення по струму (коефіцієнт передачі струму), для схеми ПРО позначається a. Він визначається для режиму без навантаження (Rн = 0), тобто при постійній напрузі колектор-база:
, При u к-б = const.
Чим ближче a до 1, тим краще транзистор. Коефіцієнт посилення по струму ki, для каскаду ПРО завжди трохи менше а, тому що при включенні Rн струм колектора зменшується.
Коефіцієнт підсилення по напрузі визначається формулою:
Коефіцієнт посилення по потужності kp = ki · ku. Оскільки,
то 
.
Вхідний опір для схеми ПРО:
Вхідний опір виходить в десятки разів меншим, ніж у схемі ОЕ, оскільки напруга Umб-е дорівнює напрузі Umе-б, а струм Imе в десятки разів більше струму Imб.
Для схеми ПРО фазовий зсув між вихідним і вхідним напругою відсутня, тобто фаза напруги при посиленні не перевертається.
Гідність даної схеми включення в тому, що каскад за схемою ПРО вносить при посиленні менші спотворення, ніж каскад за схемою ОЕ.
3.3. Схема з загальним колектором (ОК)
Схема з ОК показана на рис. 5.11. Особливість цієї схеми в тому, що вхідна напруга повністю передається назад на вхід, тобто дуже сильна негативний зворотний зв'язок.
Вхідна напруга дорівнює сумі змінної напруги база-емітер Uб-е і вихідної напруги:
Коефіцієнт посилення по струму каскаду ОК визначається за формулою:
і має майже таке значення, як і в схемі ОЕ.
Ставлення
- Є коефіцієнт посилення по струму для схеми ОЕ.
Коефіцієнт посилення по напрузі близький до одиниці, причому завжди менше її:
Коефіцієнт посилення по потужності
.
Фазового зсуву між U вих і Uв немає, оскільки вихідна напруга збігається за фазою з вхідним і майже дорівнює йому. Дана схема включення транзистора називається емітерний повторювач. Емітерний тому, що резистор навантаження включений у провід емітера і вихідна напруга знімається з емітера (щодо корпусу).
Вхідний опір каскаду за схемою ОК визначається за формулою
Важливим достоїнством даної схеми включення є високий вхідний опір.
1. Загальні відомості
Транзистори - це напівпровідникові прилади, придатні для посилення потужності і мають три висновки або більше. У транзисторах може бути різне число переходів між областями з різною електропровідністю. Найбільш поширені транзистори з двома n-p-переходами, звані біполярними, оскільки їх робота заснована на використанні носіїв заряду обох знаків. Перші транзистори були точковими, але вони працювали недостатньо стійко. В даний час виготовляються і застосовуються виключно площинні транзистори.
Пристрій площинного біполярного транзистора показано схематично на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Пристрій площинного біполярного транзистора
Транзистор являє собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якій створені три області з різною електропровідністю. Для прикладу взято транзистор типу n-p-n, що має середню область з діркової, а дві крайні області - з електронною електропровідністю. Широко застосовуються також транзистори типу p-n-p, в яких діркової електропровідністю мають дві крайні області, а середня має електронну електропровідність.
Середня область називається базою транзистора, одна крайня область - емітером, інша - колектором. Таким чином, в транзисторі є два n-p-переходу: емітерний - між емітером і базою і колекторний - між базою і колектором. Відстань між ними повинна бути дуже низькою, не більше одиниць мікрометрів, тобто область бази повинна бути дуже тонкою. Це є умовою хорошої роботи транзистора. Крім того, концентрація `рація домішок у базі завжди значно менше, ніж у колекторі і емітері. Від бази, емітера і колектора зроблені висновки.
Для величин, що відносяться до бази, емітер і колектора, застосовують як індекси букви «б», «е» і «до». Струми в проводах бази, емітера і колектора позначають відповідно Іб, iе, Ік. Напруження між електродами позначають подвійними індексами, наприклад напруга між базою і емітером Uб-е, між колектором і базою Uк-б. На умовному графічному позначенні (рис. 5.2) транзисторів p-n-p і n-p-n стрілка показує умовне (від плюса до мінуса) напрямок струму в проводі емітера при прямій напрузі на емітерний перехід.
Рис. 5.2. Умовне графічне позначення транзисторів
Транзистор може працювати в трьох режимах залежно від напруги на його переходах.
Активний режим - напруга на емітерний перехід пряме, а на колекторному - зворотне.
Режим відсічки (замикання) - зворотна напруга подано на обидва переходу.
Режим насичення - на обох переходах пряму напругу.
Основним є активний режим. Він використовується в більшості підсилювачів та генераторів. Режими відсічки та насичення характерні для імпульсної роботи транзистора.
У схемах з транзисторами зазвичай утворюються два ланцюги: вхідні (керуюча) - в неї включають джерело підсилюються сигналів і вихідна (керована) - у неї включається навантаження.
2. Принцип дії n-p-n транзистора
Розглянемо принцип роботи транзистора, на прикладі n-p-n транзистора в режимі без навантаження, коли включені тільки джерела постійних живлячих напруг E1 і E2 (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Схема включення n-p-n транзистора без навантаження
Полярність їх така, що на емітерний перехід напруга пряме, а на колекторному - зворотне. Тому опір емітерного переходу мало і для отримання нормального струму в цьому переході достатньо напруги E1 в десяті частки вольта. Опір колекторного переходу велике, і напруга E2 зазвичай складає одиниці або десятки вольт. Зі схеми на рис. 5.3 видно, що напруги між електродами транзистора пов'язані простою залежністю
При роботі транзистора в активному режимі зазвичай завжди Uб-е <<Uк-б і, отже, Uк-е »Uк-б.
Вольт-амперна характеристика емітерного переходу представляє собою характеристику напівпровідникового діода при прямому струмі, а вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна характеристиці діода при зворотному струмі.
Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряме напруга емітерного переходу, тобто ділянки база - емітер (Uб-е), істотно впливає на струми емітера і колектора. Чим більше це напруга, тим більше струми емітера і колектора. При цьому зміни струму колектора лише незначно менше змін струму емітера. Таким чином, напруга Uб-е, тобто вхідна напруга, управляє струмом колектора. Посилення електричних коливань за допомогою транзистора засноване саме на цьому явищі.
Фізичні процеси в транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги Uб-е знижується потенційний бар'єр у емітерний перехід і відповідно зростає струм через цей перехід - струм емітера iе. Електрони цього струму инжектируются з емітера в базу і завдяки дифузії проникають крізь базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора. Оскільки колекторний перехід працює при зворотній напрузі, то в цьому переході виникають об'ємні заряди, показані на малюнку гуртками зі знаками «+» і «-». Між ними виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, які прийшли сюди з емітера, тобто втягують електрони в область колекторного переходу.
Якщо товщина бази достатньо мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. У результаті рекомбінації виникає струм бази. У сталому режимі число дірок у базі має бути незмінним. Внаслідок рекомбінації кожну секунду скільки-то дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямку до плюса джерела E1 таке ж число електронів. Інакше кажучи, в базі не може накопичуватися багато електронів. Якщо деяке число інжектованих в базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбініруя з дірками, то точно таке ж число електронів повинно йти з бази у вигляді струму Іб. Оскільки струм колектора виходить менше струму емітера, то відповідно до першого закону Кірхгофа завжди існує наступне співвідношення між струмами:
Струм бази є непотрібним і навіть шкідливим. Бажано, щоб він був якомога менше. Зазвичай Iб становить малу частку (відсотки) струму емітера, тобто
Якби база мала значну товщину і концентрація дірок в ній була велика, то більша частина електронів емітерного струму, диффундируя через базу, рекомбинировали б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.
Коли до емітерного переходу напруга не докладено, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. У цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, тому що основні носії зарядів віддаляються від цього переходу і по обидва боки від кордону створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з p-області і дірок з n-області.
Важлива властивість транзистора - приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струму транзистора змінюються майже пропорційно один одному.
Подібні ж процеси відбуваються в транзисторі типу p-n-p, але в ньому міняються ролями електрони і дірки, а також змінюються полярності напружень та напрямки струмів (рис. 5.3). У транзисторі типу p-n-p з емітера і базу инжектируются не електрони, а дірки, які є для бази неосновними носіями. Зі збільшенням струму емітера більше таких дірок проникає через базу до колекторного переходу. Це викликає зменшення його опору і зростання струму колектора.
Роботу транзистора можна наочно представити за допомогою потенційної діаграми, яка наведена на рис. 5.4 для транзистора типу n-p-n. Потенціал емітера прийнятий за нульовий. У емітерний перехід є невеликий потенційний бар'єр. Чим більша напруга Uб-е, тим нижче цей бар'єр. Колекторний перехід має значну різницю потенціалів, що прискорює електрони.
Рис. 5.4. Потенційна діаграма роботи n-p-n транзистора
Крім розглянутих основних фізичних процесів в транзисторах доводиться враховувати ще ряд явищ.
Суттєво впливає на роботу транзисторів опір бази rб0, тобто опір, який база надає току бази Iб (нуль в індексі тут означає, що дана величина відноситься до постійного струму.) Цей струм протікає до висновку бази в напрямку, перпендикулярному напрямку емітер-колектор. Так як база дуже тонка, то в напрямку від емітера до колектора, тобто для струму Ік її опір дуже мало і не береться до уваги. А в напрямку до висновку бази опір бази rб0 (його називають поперечним) досягає сотень ом, тому що в цьому напрямку база аналогічна дуже тонкому провіднику. Напруга на емітерний перехід завжди менше, ніж напруга Uб-е між висновками бази і емітера, тому що частина напруги, що підводиться втрачається на опорі бази. З урахуванням опору rб0 можна зобразити еквівалентну схему транзистора для постійного струму (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Еквівалентна схема транзистора для постійного струму
На рис. 5.5, rе0 - опір емітера, в яке входять опір емітерного переходу і емітерний області. Значення rе0 у малопотужних транзисторів досягає десятків ом, оскільки напруга на емітерний перехід не перевищує десятих вольта, а струм емітера в таких транзисторах становить одиниці міліампер. У більш потужних транзисторів більше і iе0 відповідно менше. Опір rб0 визначається формулою (в омах)
Опір колектора rко представляє собою практично опір колекторного переходу і складає одиниці і десятки килоом. У нього входить також опір колекторної області, але воно порівняно мало і їм можна знехтувати.
Розглянута еквівалентна схема є дуже наближеною, оскільки насправді емітер, база і колектор мають між собою контакт не в одній точці, а в безлічі точок по всій площі переходів. Тим не менш, ця схема може застосовуватися для розгляду багатьох процесів у транзисторі.
При підвищенні напруги на колекторному переході в ньому відбувається лавинне розмноження носіїв заряду, через ударної іонізації. Це явище і тунельний ефект здатні викликати електричний пробій, який при зростанні струму може перейти в тепловий пробій переходу. Електричний і тепловий пробій колекторного переходу в транзисторі відбувається в основному так само, як і в діоді. Але в транзисторі при надмірному колекторному струмі може виникати тепловий пробій без попереднього електричного пробою, тобто без підвищення напруги на колекторному переході до пробивного. Це явище, пов'язане з перегрівом колекторного переходу називається вторинним пробоєм.
Зміна напружень на колекторному і емітерний переходах супроводжується зміною товщини цих переходів. У результаті змінюється товщина бази. Таке явище називають модуляцією товщини бази. Його особливо треба враховувати при підвищенні напруги колектор-база, тому що тоді товщина колекторного переходу зростає, а товщина бази зменшується.
При дуже тонкої базі може відбутися ефект змикання («прокол» бази) - з'єднання колекторного переходу з емітерний. У цьому випадку область бази зникає і транзистор перестає нормально працювати.
При збільшенні інжекції носіїв з емітера в базу відбувається накопичення неосновних носіїв заряду в базі, тобто збільшення концентрації і сумарного заряду цих носіїв. І навпаки, при зменшенні інжекції відбувається зменшення концентрації і сумарного заряду неосновних носіїв у базі. Цей процес називають розсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі.
Розглянемо співвідношення між струмами в транзисторі. Струм емітера управляється напругою на емітерний перехід, але до колектора доходить трохи менший струм, який можна назвати керованим колекторним струмом Ік. упр.. Частина інжектованих з емітера в базу носіїв рекомбінує, тому
Через колекторний перехід завжди проходить дуже невеликий (не більше одиниць мікроампер) некерований зворотний струм Iк0 (рис. 5.6). Цей струм називають ще початковим струмом колектора. Він некерований тому, що не проходить через емітерний перехід. Таким чином, повний колекторний струм
Рис. 5.6. Напрямки струмів в транзисторі
У багатьох випадках
Перетворимо формулу (5.1)
Висловимо:
Позначимо
тут
Тобто при збільшенні a на 0,04, b збільшився в п'ять разів.
Висловимо а через b:
Слід зауважити, що коефіцієнт a не є строго постійним. Він залежить від режиму роботи транзистора, зокрема від струму емітера. При малих і великих струмах a зменшується, а при деякому середньому значенні струму досягає максимуму. У межах робочих значень струму емітера зменяется порівняно мало.
Коефіцієнт b змінюється залежно від режиму роботи транзистора набагато більше, ніж коефіцієнт a. При деякому середньому значенні струму емітера коефіцієнт b максимальний, а при менших і більших струмах він знижується, причому іноді в кілька разів.
Струм Ік-е0 називають початковим наскрізним струмом, тому що він протікає крізь весь транзистор (через три його області і через обидва n-p-переходу) в тому випадку, якщо Iб = 0, тобто обірваний провід бази. З (5.2) при Iб = 0 одержуємо Ік = Ік-е0. Наскрізний струм складає десятки або сотні мікроампер і значно перевершує початковий струм колектора Iк0.
Порівняно великий струм Ік-е0 пояснюється тим, що деяка частина напруги Uк-е, прикладена до емітерного переходу в якості прямої напруги. Внаслідок цього зростає струм емітера, а він у даному випадку і є наскрізним струмом.
При значному підвищенні напруги Uк-е, струм Ік-е0 різко зростає і відбувається електричний пробій.
3. Посилення за допомогою транзистора
Розглянемо схему підсилювального каскаду з транзистором n-p-n типу (рис. 5.7). Ця схема називається схемою з загальним емітером (ОЕ), тому що емітер є загальною точкою для входу і виходу схеми.
Рис. 5.7. Схема включення транзистора з ОЕ
Вхідна напруга, яке необхідно посилити, подається від джерела коливань ІК на ділянку база - емітер. На базу подано також позитивний зсув від джерела E1, яке є прямим напругою для емітерного переходу. Ланцюг колектора (вихідна ланцюг) живиться від джерела E2. Для отримання посиленого вихідної напруги в цей ланцюг включена навантаження Rн.
C1 - конденсатор великої ємності необхідний для того, щоб не відбувалася втрата частини вхідної змінної напруги на внутрішньому опорі джерела E1. C2 - необхідний для того, щоб не було втрати частини вихідного посиленої напруги на внутрішньому опорі джерела E2.
Розглянемо еквівалентну схему колекторної ланцюга (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Еквівалентна схема колекторної ланцюга при включенні транзистора з ОЕ
Робота підсилювального каскаду з транзистором відбувається наступним чином. Напруга джерела E2 ділиться між опором навантаження і внутрішнім опором транзистора r0, яке він робить постійному струму колектора. Це опір наближено дорівнює опору колекторного переходу rк0 для постійного струму. Насправді до опору rк0 ще додаються невеликі опору емітерного переходу, а також n - і p-областей, але ці опору можна не брати до уваги.
Якщо у вхідні ланцюг включається джерело коливань, то при зміні його напруги змінюється струм емітера, а отже, опір колекторного переходу rк0. Тоді напруга джерела E2 буде перерозподілятися між Rн і rк0. При цьому змінну напругу на peзіcтopе навантаження Rн може бути отримано в десятки разів більшим, ніж вхідна змінна напруга. Зміни струму колектора майже рівні змін струму емітера і у багато разів більше змін струму бази. Тому в даній схемі виходить значне посилення струму і дуже велике посилення потужності.
Для більшої наочності розглянемо роботу підсилювального каскаду з транзистором на числовому прикладі. Нехай живлять напруги E1 = 0,2 В і E2 = 12 В, опір резистора навантаження Rн = 4 кОм і опір транзистора r0 при відсутності коливань на вході також дорівнює 4 кОм, тобто повний опір колекторному ланцюзі дорівнює 8 кОм. Тоді струм колектора, який можна наближено вважати рівним току емітера, становить
Напруга E2 розділиться навпіл, напруга на Rн і на r0 буде по 6 В.
Нехай oт джерела коливань на вхід надходить змінну напругу з амплітудою 0,1 В. Максимальна напруга на ділянці база - емітер при позитивній полуволне стає рівним 0,3 У. Припустимо, що під впливом цієї напруги струм емітера зростає до 2,5 мА. Таким же практично стане і струм колектора. Він створить на резисторі навантаження падіння напруги 2,5 · 4 = 10 В, а падіння напруги на опорі r0 транзистора зменшиться до 12-10 = 2 В. Отже, цей опір зменшиться до 2:2,5 = 0,8 кОм.
Через полперіода, коли джерело коливань дасть напругу, рівну - -0,1 В, станься зворотне явище. Мінімальна напруга база - емітер стане 0,2-0,1 = 0,1 В. Токи емітера і колектора зменшаться до 0,5 мА. На резисторі Rн падіння напруги зменшиться до 0,5 · 4 = 2 В, а на опорі r0 воно зросте до 10 В. Отже, цей опір збільшиться до 10:0,5 = 20 кОм.
Таким чином, подача на вхід транзистора змінної напруги з амплітудою 0,1 В викликає зміна опору від 0,8 до 20 кОм. При цьому напруги на резисторі навантаження і на транзисторі змінюються на 4 В в ту і іншу сторону (від 10 до 2 В). Отже, вихідна напруга має амплітуду коливань 4 В, тобто воно в 40 разів більше вхідного напруги. Цей числовий приклад є наближеним, оскільки насправді залежність між струмом колектора та вхідною напругою нелінійна.
Наступні рівняння:
вхідна напруга
напруга на ділянці база - емітер
струм колектора
напруга на навантаженні
де
напруга на виході
де
3.1. Схеми включення транзисторів (ПРО, ОК, ОЕ)
Застосовують три основні схеми включення транзисторів у підсилювальні чи інші каскади. У цих схемах один з електродів транзистора є загальною точкою входу і виходу каскаду. Щоб уникнути помилок при цьому треба пам'ятати, що під входом (виходом) розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) змінна напруга. Не слід розглядати вхід і вихід по постійній напрузі.
Основні схеми включення транзисторів називаються відповідно схемами з загальним емітером (ОЕ), загальною базою (ПРО) і загальним колектором (ОК). Принцип посилення коливань у всіх цих каскадах однаковий, але властивості схем різні.
3.2. Схема з загальним емітером (ОЕ)
Ця схема зображена на рис. 5.7 і є найбільш поширеною, тому що вона дає найбільше посилення по потужності.
Коефіцієнт посилення по струму ki - це відношення амплітуд (або діючих значень) вихідного і вхідного змінного струму, тобто змінних складових струмів колектора і бази:
Підсилювальні властивості транзистора при включенні його за схемою ОЕ характеризує один із головних його параметрів - статичний коефіцієнт посилення по струму (або коефіцієнт передачі струму) для схеми ОЕ, що позначається b. Оскільки він повинен характеризувати тільки сам транзистор, то його визначають в режимі без навантаження (Rн = 0), тобто при постійній напрузі ділянки колектор-емітер:
Коефіцієнт посилення каскаду по напрузі дорівнює відношенню амплітудних або діючих значень вихідної і вхідної змінної напруги. Вхідним є змінна напруга база - емітер Uб-е, а вихідним - змінну напругу на резисторі навантаження UR, що відповідає напрузі між колектором і емітером Uк-е:
Коефіцієнт посилення каскаду по потужності kp є ставлення вихідний потужності до вхідних. Кожна з цих потужностей визначається половиною твори амплітуд відповідних струмів і напруг:
тому
Важливою величиною для транзистора є його вхідний опір, що визначається за законом Ома. Для схеми ОЕ
Каскад за схемою ОЕ при посиленні перевертає фазу напруги, тобто між вихідним і вхідним напругою є фазовий зсув 180 °.
Гідність схеми ОЕ - зручність харчування її від одного джерела, оскільки на колектор і базу подаються живлять напруги одного знака.
Недоліки даної схеми - гірші порівняно зі схемою ПРО частотні і температурні властивості. З підвищенням частоти посилення у схемі ОЕ знижується в значно більшому ступені, ніж у схемі ПРО. Режим роботи схеми ОЕ сильно залежить від температури.
Схема із загальною базою (ПРО) tc "5.4.2. Схема із загальною базою (ПРО)"
Схема з ПРО показана на рис. 5.10. Ця схема дає значно менше посилення no потужності і має ще менше вхідний опір, ніж схема ОЕ, все ж її іноді застосовують, так як за своїми частотним і температурним властивостями вона значно краще схеми ОЕ.
Коефіцієнт посилення по струму каскаду ПРО завжди трохи менше одиниці:
. К. струм колектора завжди лише небагато менше струму емітера.
Статичний коефіцієнт посилення по струму (коефіцієнт передачі струму), для схеми ПРО позначається a. Він визначається для режиму без навантаження (Rн = 0), тобто при постійній напрузі колектор-база:
Чим ближче a до 1, тим краще транзистор. Коефіцієнт посилення по струму ki, для каскаду ПРО завжди трохи менше а, тому що при включенні Rн струм колектора зменшується.
Коефіцієнт підсилення по напрузі визначається формулою:
Коефіцієнт посилення по потужності kp = ki · ku. Оскільки,
Вхідний опір для схеми ПРО:
Вхідний опір виходить в десятки разів меншим, ніж у схемі ОЕ, оскільки напруга Umб-е дорівнює напрузі Umе-б, а струм Imе в десятки разів більше струму Imб.
Для схеми ПРО фазовий зсув між вихідним і вхідним напругою відсутня, тобто фаза напруги при посиленні не перевертається.
Гідність даної схеми включення в тому, що каскад за схемою ПРО вносить при посиленні менші спотворення, ніж каскад за схемою ОЕ.
3.3. Схема з загальним колектором (ОК)
Схема з ОК показана на рис. 5.11. Особливість цієї схеми в тому, що вхідна напруга повністю передається назад на вхід, тобто дуже сильна негативний зворотний зв'язок.
Вхідна напруга дорівнює сумі змінної напруги база-емітер Uб-е і вихідної напруги:
Коефіцієнт посилення по струму каскаду ОК визначається за формулою:
і має майже таке значення, як і в схемі ОЕ.
Ставлення
Коефіцієнт посилення по напрузі близький до одиниці, причому завжди менше її:
Коефіцієнт посилення по потужності
Фазового зсуву між U вих і Uв немає, оскільки вихідна напруга збігається за фазою з вхідним і майже дорівнює йому. Дана схема включення транзистора називається емітерний повторювач. Емітерний тому, що резистор навантаження включений у провід емітера і вихідна напруга знімається з емітера (щодо корпусу).
Вхідний опір каскаду за схемою ОК визначається за формулою
Важливим достоїнством даної схеми включення є високий вхідний опір.