3.9. Биполярные транзисторы
1. Общие сведения. Характеристики
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами и тремя выводами, служащий для усиления мощности. В транзисторе имеется три области – эмиттер (э), база (б) и коллектор (к). В зависимости от типа проводимости этих областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа. Таким образом, в транзисторе имеется два p-n перехода: эмиттер-база (эмиттерный) и коллектор-база (коллекторный). Стрелка на условных обозначениях транзисторов (см. в начале главы) указывает направление от p области к n области. Принцип работы обоих типов транзисторов одинаков.
Толщина базы делается значительно меньше длины свободного пробега неосновных носителей тока, попадающих в нее из эмиттера, а концентрация основных носителей в базе много меньше концентрации основных носителей в эмиттере. В результате в базе сводится до минимума рекомбинация неосновных носителей с основными, пришедшими из эмиттера.
Площадь коллекторного перехода (перехода база-коллектор) значительно больше площади эмиттерного перехода (перехода база-эмиттер). Это делается для того, чтобы перехватить весь поток носителей, идущих от эмиттера, а также потому, что на коллекторном переходе выделяется большая мощность. Концентрация же основных носителей в коллекторе несколько меньше, чем в эмиттере.
В зависимости от того, какое напряжение (прямое или обратное) подано на переходы транзистора, выделяют четыре режима работы транзистора. В активном режиме (он является основным) напряжение на эмиттерном переходе прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки (запирания) на оба перехода подается обратное напряжение. В режиме насыщения напряжение на обоих переходах прямое. В инверсном режиме на коллекторном переходе напряжение прямое, а на эмиттерном – обратное.
Рассмотрим работу транзистора
n-p-n
типа в активном режиме без нагрузки (рис. 3.30). На рисунке
темными кружками изображены электроны, светлыми – дырки. Поскольку на переход
база-эмиттер подано прямое напряжение, то сопротивление эмиттерного перехода
мало и для получения тока на этом переходе достаточно напряжения Е1 в
десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико (на него подано
обратное напряжение) и напряжение Е2 обычно составляет единицы и
десятки вольт.
При увеличении прямого напряжения на эмиттерном переходе электроны из эмиттера переходят в базу. Благодаря малой толщине базы и малой концентрации в ней дырок лишь незначительная часть электронов рекомбинирует с дырками базы, образуя ток базы (его стараются сделать как можно меньше). Основная часть электронов достигает коллекторного перехода и под действием его обратного напряжения втягивается в коллектор (электроны являются неосновными носителями для базы и поле запирающего слоя на переходе коллектор-база является для них ускоряющим). Поэтому ток коллектора лишь немного меньше тока эмиттера: iэ=iк+iб.
Когда на эмиттерный переход не подано прямое напряжение, то через коллектроный переход протекает только небольшой обратный ток, созданный неосновными носителями. Таким образом, прямое напряжение эмиттерного перехода существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. Такое свойство транзистора позволяет использовать его в качестве электронного ключа, а также для усиления электрического тока.
Для расчета схем с
транзисторами необходимо знать их характеристики (зависимости между токами и
напряжениями). Для схемы включения транзистора с общим эмиттером (рис. 3.30)
входная характеристика представляет собой зависимость силы тока базы от
напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектр-эмиттер. Она имеет
такой же вид, как прямая ветвь ВАХ полупроводникового диода. Выходные
характеристики биполярного транзистора при схеме включения с общим эмиттером
представляют собой зависимости силы тока коллектора от напряжения
коллектор-эмиттер при различных постоянных значениях тока базы (рис. 3.31).
Самая нижняя выходная характеристика построена для iб=0. Она похожа на обратную ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Чем больше сила тока базы, тем выше расположена выходная характеристика.
Активная область
на семействе выходных характеристик транзистора (рис. 3.32) ограничена
максимально допустимым током коллектора, максимально допустимым напряжением
коллектор-эмиттер, гиперболой максимально допустимой мощности рассеяния и
неуправляемым током коллектора (ток коллектора при
iб=0).
Для уменьшения нелинейных искажений рабочую область ограничивают также слева
(см. штриховую линию на рис. 3.32).
Характеристики транзисторов, как и всех полупроводниковых элементов, очень сильно зависит от температуры. При увеличении температуры сопротивление полупроводников уменьшается и токи в них увеличиваются. Поэтому семейство выходных характеристик при увеличении температуры смещается вверх (рис. 3.33).
2. Определение структуры и выводов биполярных транзисторов
В последнее время все чаще используют транзисторы, извлеченные из неработающих электронных приборов. В связи с этим возникает проблема определения структуры и выводов транзисторов.
При экспериментальном определении структуры
транзистора (р-n-р или n-р-n) его можно рассматривать состоящим из двух
диодов, соединенных в зависимости от структуры анодами или катодами (рис.
3.34 а, б), причем точка соединения диодов соответствует выводу базы
транзистора. Для определения структуры и вывода базы транзистора воспользуемся
омметром с известной полярностью напряжения, подаваемого на гнезда омметра от
внутреннего источника питания. Обычно положительный полюс внутреннего источника
питания омметра соединен с гнездом “общий”.
Следует отметить, что существуют омметры и с другой полярностью напряжения на
гнездах. Так, например, авометр Ц20-05 выпускается в двух модификациях: в одной
из них на общее гнездо омметра выведен плюс внутреннего источника питания, а в
другой - минус.
Поэтому перед экспериментальным определением структуры и вывода
базы транзистора следует с помощью диода с маркированной полярностью проверить,
какой полюс внутреннего источника питания омметра соединен с общим гнездом.
При одной полярности щупов омметра, подключаемых к переходу транзистора, сопротивление перехода оказывается малым (прямое подключение), а при другой - большим (обратное подключение). Если при малом сопротивлении переходов транзистора плюсовой щуп омметра касался одного и того же вывода, значит это вывод базы и транзистор имеет структуру n-р-n. Если в этой же ситуации минусовой щуп омметра касался одного и того же вывода (базы), то транзистор р-n-р типа.
После того, как определена структура транзистора и найден вывод базы
транзистора, приступают к определению выводов эмиттера и коллектора. На
рисунках, поясняющих принцип работы биполярного транзистора, области эмиттера и
коллектора выглядят симметрично и, казалось бы, что выводы коллектора и эмиттера
можно поменять местами. Однако конструктивно эмиттер и коллектор выполняются
по-разному (имеют неодинаковую концентрацию носителей заряда и площадь
поверхности). Поэтому менять их
местами не следует, так как получится
существенно меньший коэффициент усиления по току и меньшая мощность рассеяния
транзистора. Для некоторых транзисторов в этом случае может возникнуть лавинный
пробой перехода база-эмиттер, что нарушит нормальную работу собранного
электронного устройства. На рисунке 3.35 приведены две выходные
характеристики транзистора КТ315А в схеме включения с общим эмиттером: 1 – для
стандартного включения транзистора, 2 - для случая, когда эмиттер и коллектор
транзистора поменяли местами (инверсный режим работы).
Существует несколько вариантов экспериментального определения выводов эмиттера и коллектора. Рассмотрим два из них.
Возьмем резистор сопротивлением 10-100 кОм и включим его между выводом базы и
предполагаемым выводом коллектора. К выводам эмиттера и коллектора омметр
можно подключить так, как показано на
рисунках 3.36а и
3.36б
для транзистора n-р-n типа, а на рисунках 3.37а и 3.37б - для
транзистора р-n-р типа. На всех рисунках предполагаемый вывод коллектора
р
асположен вверху (по рисунку). Правильному выбору выводов коллектора и эмиттера
соответствует меньшее сопротивление, фиксируемое омметром, т.е. подключение по
схемам рисунков 3.36а, 3.37а.
Рассмотрим второй вариант определения выводов коллектора и эмиттера. В качестве источника питания используют любой источник постоянного напряжения (3-9 В). Миллиамперметр включают между положительным полюсом источника и предполагаемым выводом коллектора для транзисторов n-р-n типа (рис. 3.38а и 3.38б), между отрицательным полюсом источника и предполагаемым выводом коллектора для транзисторов р-n-р типа (рис. 3.39а и 3.39б). Предполагаемый вывод коллектора, как и в предыдущем случае, расположен на рисунке вверху. Правильно выбранному выводу коллектора соответствует больший ток, фиксируемый миллиамперметром.
В этом варианте можно определить не только выводы транзистора, но и
приблизительно определить коэффициент усиления транзистора по току:
,
где Iк - сила тока коллектора, Iб
- сила тока базы.
Ток базы можно рассчитать по формуле
, где Uп - напряжение источника
питания, Uбэ - напряжение между базой и эмиттером транзистора.
Для кремниевых транзисторов напряжение
база-эмиттер составляет примерно 0,6 В. Выберем напряжение питания 4,5 В и
сопротивление резистора 390 кОм. Тогда Iб = 10-2 мА, и
коэффициент усиления определяется из формулы:
,
где Iк - сила тока коллектора в мА.
