Тема: Биполярные транзисторы.

Транзисторы — полупроводниковые приборы с двумя или более р-п- переходами, позволяющие усиливать электрические сигналы и имею­щие три вывода и более.

Их подразделяют на две большие группы: биполярные и униполярные( полевые).

В последнее время широко распространена еще одна группа биполярных транзисторов с изолированным затвором — IGBT(Insulated — Gate Bipolar Transistor) — это так называемый гибрид, сочетающий в себе дна транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления).

Конструкционный вид некоторых полупроводниковых транзисто­ре показан на рис. 7.27.

Рис. 7.27. Конструкционный вид некоторых полупроводниковых транзисторов

Биполярным транзистором называют полу­проводниковый прибор с двумя р-n -переходами и тремя выводами, обеспечивающий усиление мощности электриче­ских сигналов.

Основой биполярного транзистора (в дальнейшем бу­дем называть его просто транзистором) является кристалл полупроводника, в котором создано два р-n -перехода. В зависимости от чередования слоев с разным типом электропроводности различают два вида транзисторов: р- n- р и n- р- n. На рис. 12.12 приведены соответ­ственно их структурные схемы (а, б) и условные обозначения (в, е).

Средний слой кристалла называют базой. Ее толщина составляет всего несколько микрометров, и концентрация примесей здесь значительно меньше, чем в соседних слоях. Крайние слои называют эмиттером и коллектором. Все три слоя имеют выводы. Для защиты от внешних воздействий кристалл герметично закрывается металлическим или пластмассовым корпусом.

Для нормальной работы между выводами транзистора должны быть включены источники питания. Их можно включить таким образом, чтобы оба перехода оказались под обратным напряжением. Этот режим работы транзи­стора называют отсечкой. Все токи транзистора практиче­ски равны нулю и между электродами существует как бы разрыв цепи. Если изменить полярность источников, то оба перехода окажутся под прямым напряжением. Со­противление переходов в этом случае мало, и транзистор можно рассматривать как узел электрической цепи. Такой режим его работы называют насыщением. Транзистор работает в активном режиме, когда эмиттерный переход находится под прямым напряжением (открыт), а кол­лекторный— под обратным напряжением (закрыт).

На рис. 12.13 показана схема включения транзистора р — п — р при работе в активном режиме. Пусть вывод эмиттера разомкнут. Тогда через коллекторный переход будет протекать малый ток I_ко закрытого перехода, обусловленный концентрацией неосновных носителей в ба­зе и коллекторе. Как и обратный ток через диод, он практически не зависит от Е_к.

Теперь включим эмиттерный источник Еэ. Эмиттерный переход открыт, и через него начнут проходить основные носители — дырки из эмиттера в базу, а электроны — из базы в эмиттер. Потечет ток эмиттера I_э. Так как концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то I_э обусловлен в основном перемещением дырок.

Попав в область базы, дырки будут переме­щаться под действием диффузии от эмиттерного перехода к коллекторному, поскольку концентрация их у эмиттерного перехода выше, чем у коллекторного.

Источник питания Е_к включен так, что область коллек­тора отрицательна по отношению к базе. Дырки — это положительные носители заряда. Поэтому они пройдут че­рез коллекторный переход в коллектор и тем самым увели­чат ток коллектора на некоторую величину I'_к. Чем больше Iэ, тем больше дырок проходит из эмиттера в базу и тем больше их подойдет к коллекторному переходу. Поэтому можно считать, что I'_к = α I_э, где α — коэффициент передачи тока эмиттера. Часть дырок успевает рекомби­нировать в базе, и α <1. В современных транзисторах база очень тонкая и рекомбинация невелика, поэтому α = 0,99 и больше.

Полный ток коллектора

Iк = I'_к. + I_ко. = α I_э + I_ко . (12.1)

Рекомбинация дырок в базе уменьшает концентрацию электронов и повышает потенциал базы. Источник Еэ восполняет убыль электронов и создает дополнительную составляющую тока базы I'_Б

Полный ток базы

Iб = I'_Б — I_ко (12.2)

По первому закону Кирхгофа, для транзистора можно за­писать следующее уравнение токов:

I_э = Iк + Iб (12.3)

Откуда, используя (12.1) и 12.2),

Iб = I_э - Iк = (1- α) I_э - I_ко (12.4)

Если пренебречь относительно малым током I_ко, то уравне­ния (12.1) и (12.4) можно упростить:

Iк = α I_э; Iб = (1— α) I_э

Ясно, что I_к I_э и I_б < < I_к

Три схемы позволяют получить усиление мощности электрического сигнала. Если источник сигнала включить в эмиттерную цепь, а нагрузку в цепь коллектора (см. рис. 12.13), то получим схему включения транзистора с общей базой (ОБ). База является общим электродом для входной и выходной (источника сигнала и нагрузки) це­пей. Эта схема включения обеспечивает усиление сигнала по напряжению и мощности, но ток в нагрузке будет меньше, чем входной ток источника сигнала.

На рис. 12.14 показаны еще две схемы включения транзистора: а — с общим эмиттером (ОЭ) и б — с общим коллектором (ОК).

В схеме ОЭ входной ток — это ток ба­зы I_б, а выходной ток — ток коллектора I_к. Отношение этих токов называют коэффициентом передачи тока базы β. Так как α = 0,99 и больше, то β>>1. Схема ОЭ обеспечивает усиление тока и напряжения сигнала и мак­симальное усиление мощности. Она чаще всего применяет­ся в электронных устройствах.

Характеристики транзистора зависят от схемы его включения. Чаще всего используются два семейства харак­теристик: входные (рис. 12.15, а) и выходные (рис. 12.15, б). Они приведены для транзистора КТ315, включенного по схеме ОЭ.

Выходные характеристики транзистора — это зависи­мости I_к = f(U_КЭ) при I_б = const. При I_б = 0 I_к = I_ко.

Этот ток протекает через эмиттер и коллектор и мало зависит от напряжения U_КЭ. При увеличении тока базы ток коллектора увеличивается в соответствии с урав­нением.

I_к= β I_б + I_ко

Каждому значению I_б соответствует своя характери­стика. Характеристики смещены относительно начала координат, так как

U_КБ = U_КЭ — U_БЭ,

и при U_КЭ < U_БЭ коллекторный переход оказывается под прямым напряжением, т. е. открытым. Этой области харак­теристик соответствует режим насыщения (область А на рис. 12.15, б). Режиму отсечки соответствует область В, а активному режиму — область С.

Зависимости I_б = f(U_БЭ) при U_КЭ — const называют входными характеристиками.

При нагреве транзистора во всех его областях уве­личивается концентрация неосновных носителей. Это ведет к увеличению обратного тока через р –n -переходы, и все характеристики смещаются в область больших токов. Поэтому в практических схемах приходится предусматри­вать особые мероприятия для термостабилизации работы транзистора.

Биполярные транзисторы делятся на группы в зави­симости от частоты сигнала и мощности, которую тран­зистор может рассеять. Для выбора типа транзистора в конкретных схемах применяются основные параметры, ко­торые приводятся в справочниках. Напряжение U_КЭ тран­зистора при его работе не должно превышать предельно допустимое U_КЭmах, иначе коллекторный переход транзи­стора может быть пробит и транзистор выйдет из строя. Во избежание перегрева мощность, которая выделяется в транзисторе, не должна превышать предельно допустимую Р_{к max}.

Для увеличения предельно допустимой мощности тран­зисторы устанавливают на радиаторах, увеличивающих отвод тепла. Например, у транзистора ГТ705 без тепло­отвода допустимая мощность составляет 1,6 Вт, а при ис­пользовании радиатора — 15 Вт.