Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами. Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки. Транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n. Наиболее распространены в применении транзисторы n-p-n типа, так как они обладают рядом преимуществ. В схемах биполярные транзисторы изображаются следующим образом:
 |
Рисунок 6 –Схемное изображение транзисторов.
Индексом "б" обозначен базовый вход, "к" обозначает контакт с коллектором, а "э" – эмиттер. Направление стрелки у эмиттера является отличительным признаком типа транзистора (п-р-п или р-п-р) и указывает направление тока эмиттерного перехода. Тогда, коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, а коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. Токи и напряжения на электродах транзисторов p-n-p и n-p-n проводимостей представлены на рисунке 7.
Рисунок 7 – Токи и напряжения в транзисторах разной проводимости
В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора, существуют три основные схемы включения транзистора, а именно, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (см. рис. 8).
а) – с общей базой; б) – с общим эмиттером; в) – с общим коллектором.
Рисунок 8 – Существующие схемы включения транзисторов
Основные сравнительные технические параметры различных схем включения транзистора приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Технические параметры схем включения транзистора
| rвх | rвых | Ku | Ki | Kp | Замечания | |
| ОЭ | среднее | высокое | Большое | Большое | Очень большое | Часто использ. |
| ОК | очень большое | очень низкое | Большое | Большое | Не часто использ. | |
| ОБ | малое | очень высокое | Большое | Большое | Редко использ. |
Наиболее общим и наглядным часто применяющимся показателем свойств транзистора, являются экспериментально снятые статические вольтамперные характеристики (ВАХ). Статические характеристики представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между токами, протекающими в транзисторе, и напряжениями на его p-n переходе при Rн=0. Эти характеристики являются для каждого типа транзистора уникальными и приводятся в его заводских паспортных данных, а также их можно найти в справочниках по полупроводниковым приборам [3,4]. Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики. На практике наиболее часто используют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При подобном включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом является коллектор. На рис.9 приведена принципиальная схема лабораторной установки для определения вольт-амперных характеристик транзистора, включенного с ОЭ. Входная цепь (цепь базы) питается от регулируемого источника тока I положительной полярности, который поддерживает необходимый ток базы. Величина тока базы Iб измеряется миллиамперметром РА1. Напряжение между эмиттером и базой Uбэ измеряется вольтметром, который подключается к предусмотренным для этих целей выводам (Uбэ). Напряжение на коллекторе устанавливается от регулируемого источника напряжения Ек.
Рисунок 9 –Лабораторная установка измерения ВАХ транзистора
Напряжение коллектора Uкэ измеряется с помощью вольтметра, подключаемого к вывода (Uк). Для измерения коллекторного тока Iк служит миллиамперметр РА2. Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения Uбэ от входного тока Iб, Uбэ =f1(Iб) при заданном напряжении Uкэ. В цепи коллектора может протекать неуправляемый тепловой ток. При Uкэ =0 тепловой ток Iк0 в цепи коллектора отсутствует и появляется только при Uкэ>0, при этом он направлен навстречу току Iб , как это показано на рисунке 10.
Рисунок 10 –Схема распределения температурных токов транзистора
Выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ считывается зависимость Iк =f2(Uкэ)при заданном токе Iб. Если Uбэ=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) условного транзистора в статическом режиме приведены на рисунке 11.
б)-входные вольт-амперные характеристики транзистора;
в)- выходные вольт-амперные характеристики транзистора.
Рисунок 11 – Входные и выходные ВАХ транзистора.
Как видно из входной ВАХ (см.рис. 11-б), транзистор по входу обладает некоторой зоной нечувствительности до определенного напряжения Uбэ, т.е, не обладает усилительными свойствами. У германиевых транзисторов это напряжение меньше, чем у кремниевых и принято считать, что оно составляет 0.3-05 В, а у кремниевых лежит в пределах 0.6-0.9 В (в дальнейшем будем считать равным 0.7В)..
Основным параметром транзистора, как усилительного элемента, для схемы включения с ОЭ в статическом режиме является коэффициент усиления тока базы h21э:
h21э=β = Iк / Iб, при Uкэ= const (1)
В справочнике на это специально обращают внимание, указывая, что этот параметр дан для статического режима. У большинства транзисторов величина h21э лежит в интервале значений h21э =10 -200.
Параметр h21э относится к h – параметрам (параметр четырехполюсника). В справочниках приводятся еще некоторые h – параметры такие как:
- h 11э - входное дифференциальное сопротивление транзистора, которое определяется из выражения h 11э = Δ Uбэ / Δ Iб, Uкэ=const;
- h22э - выходная дифференциальная проводимость h22э = Δ Iк / Δ Uкэ, Iб= const
Эти два параметра относятся к динамическим параметрам.
Для схемы с ОЭ входное сопротивление составляет единицы кОм, а выходная проводимость - 10 -4 -10-5.
При работе транзистора с коллекторной нагрузкой Rк, напряжение на коллекторе будет уменьшаться при больших токах коллектора и может достичь нуля. Связь между коллекторным током Iк и напряжением на коллекторе Uк выражается уравнением нагрузочной прямой, которая имеет следующий вид:
Iк=(Ек - Uк)/Rк (2)
Графически нагрузочная прямая на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис 11-в) пересекается с осями координат в следующих точках: на горизонтальной оси напряжения между коллектором и эмиттером (Uкэ) в точке Ек, когда Iк = 0 и на вертикальной оси коллекторного тока (Iк) в точкеЕк/ Rк, когда транзистор находится в режиме насыщения, можно считать, что транзистор короткозамкнут.
Приведенные графические построения и расчеты используются при проектировании различных усилительных схем на биполярных транзисторах.
