Биполярный транзистор. Режимы работы. Параметры и статические характеристики биполярного транзистора.

Одно из самых важных технических применений полупроводников, которое существенно стимулировало развитие современной физики п.п., заключается в их использовании для усиления и генерации электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили общее название транзисторов.

Транзисторы применяются для разнообразных целей, основными из которых являются усиление и генерация различных сигналов. В таких случаях в цепях транзисторов протекают постоянные и переменные токи. Общий электрод по постоянному току может не быть общим электродом по переменному току. Так, например, схема с общим по постоянному току эмиттером может быть схемой с общим по переменному току коллектором.

Принцип действия транзистора состоит во взаимосвязи двух переходов, позволяющей управлять током коллектора изменением тока эмиттера в схеме с общей базой или управлять током коллектора изменением тока базы в схемах с общим эмиттером и общим коллектором.

Биполярный транзистор – это электронный прибор, имеющий три вывода и два p-n-перехода. Условное обозначение транзистора n-p-n-типа показано на рис. 1. При использовании транзистора в схемах на его переходы подают внешние напряжения. В зависимости от полярности этих напряжений каждый из переходов включен либо в прямом, либо в обратном направлении.

Его рабочая часть состоит из пластинки полупроводника (обычно – монокристального), в которой путем надлежащего распределения примесей создается 2 близко расположенных p-n-перехода. Область между обоими переходами принято называть базой, а оконечные области – эмиттером и коллектором. Такую систему из двух переходов можно осуществить двумя способами: создавая у эмиттера и коллектора дырочную проводимость, а у базы – электронную, т.е. структуру p-n-p, либо структуру типа n-p-n. Физические процессы в обоих случаях совершенно аналогичны.

Существует четыре режима работы биполярного транзистора. Режим отсечки (закрытое состояние) осуществляется тогда, когда оба p-n-перехода закрыты. В этом случае через транзистор прямые токи не текут (существуют только слабые обратные токи p-n-переходов в пределах нескольких микроампер). При режиме насыщения оба перехода открыты (смещены в прямом направлении), и через эти переходы текут достаточно большие токи, ограниченные внешними резисторами. В активном режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Если же эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный в прямом (коллектор и эмиттер меняются местами), то транзистор работает в инверсном (обращенном) режиме.

Важной характеристикой б.п. является коэффициент усиления тока в схеме с общей базой, который есть:

(1)

здесь - абсолютная величина малого изменения тока коллектора, вызванного малым изменением тока эмиттера , при условии, что напряжение коллектор – база U_c поддерживается постоянным. Этот коэффициент существенно определяет параметры транзистора в различных схемах его включения.

Величина определяется свойствами эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора (в первую очередь – концентрациями равновесных НЗ в них), а также процессами рекомбинации в области базы и эмиттерном p-n-переходе. Полный ток эмиттера i_e=i_pe+i_ne+i_r, здесь i_pe=i_pⁿ(x₂) есть ток дырок, вступающих из эмиттера в базу, на границе эмиттерный переход – база при х=х₂; i_т_e=i_т^з(-x₁) – ток электронов, идущих из базы в эмиттер, на границе перехода при х=-х₁; i_r – ток, возникающий вследствие рекомбинации, внутри эмиттерного p-n-перехода. Т.к. к коллектору движутся только дырки, то составляющие тока I_ne и I_r не изменяют тока коллектора и являются бесполезными. Отношение

(2)

называется эффективностью эмиттера. Качество эмиттера тем лучше, чем ближе оно к 1.

Вследствие рекомбинации в базовой области, дырочный ток, достигающий коллекторного перехода, I_pc<i_pe. Влияние рекомбинации в базе можно охарактеризовать коэффициентом передачи дырок

(3).

Он тем ближе к 1, чем меньше отношение толщины базы к длине диффузии дырок в базе.

Полный ток коллектора тоже имеет дырочную и электронную составляющие, поэтому, если

(4)

то полный ток коллектора . Величину иногда называют «собственным коэффициентом усиления тока коллектора». Пользуясь этим понятием можно записать

(5).

В биполярных транзисторах толщину базы стараются сделать по возможности малой по сравнению с длиной диффузии, так что при положительном потенциале эмиттера концентрация дырок в базе бывает намного больше равновесной их концентрации.