Краткие сведения из теории. Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор с двумя взаимо­действующими выпрямляющими р-п-переходами и тремя выводами

Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор с двумя взаимо­действующими выпрямляющими р-п-переходами и тремя выводами, усили­тельные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции не­основных носителей заряда. В биполярном транзисторе используются одновре­менно два типа носителей заряда - электроны и дырки (отсюда и название - биполярный). Переходы транзистора образованы тремя областями с чередую­щимися типами проводимости.

При включении биполярного транзистора с ОЭ цепь базы является вход­ной, а цепь коллектора - выходной. Схема включения транзистора с ОЭ в ак­тивном режиме показана на рисунке 3.1.

Физические процессы в транзисторе с ОЭ аналогичны при включении транзистора с ОБ. Под действием напряжения Uбэ в цепи эмиттера проходит ток Iэ. В базе этот ток разветвляется. Основная его часть идет в коллектор, соз­давая управляемую составляющую тока коллектора, другая часть - в цепь базы, определяя ток базы рекомбинации. Навстречу току рекомбинации в базе прохо­дит обратный ток коллектора Iкбо.

 

Рисунок 3.1 - Схема включения транзистора с ОЭ в активном режиме

Выгодными статическими характеристиками транзистора с ОЭ является семейство характеристик Ik = f (Uкэ) при Iб = const

Вид этих характеристик отражает особенности работы транзистора с ОЭ в различных режимах (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Выходные характеристики транзистора с ОЭ

В активном режиме и режиме насыщения эмиттерный переход включает­ся в прямом направлении. Под действием напряжения в цепи базы проходит ток Iб. За счет напряжения Uбэ при нулевом напряжении коллектора оба p-n-перехода транзистора смещены в прямом направлении. Транзистор работает в режиме насыщения и через коллектор проходит ток инжекции, направление ко­торого противоположно направлению коллекторного тока в активном режиме. В базе накапливаются неосновные носители заряда.

С появлением небольшого отрицательного напряжения на коллекторе ток инжекции из коллектора уменьшается, а ток обусловленный экстракцией дырок из базы в коллектор увеличивается. Поэтому при увеличении отрицательного напряжения коллектора до значения Uкэ = Uбэ наблюдается значительный рост коллекторного тока. При |Uкэ| > |Uбэ| транзистор из режима насыщения пере­ходит в активный режим. Рост коллекторного тока при дальнейшем увеличении отрицательного напряжения Uкэ замедляется. Но наклон выходных характери­стик в схеме с ОЭ оказывается больше, чем в схеме с ОБ.

Увеличение тока базы вызывает увеличение коллекторного тока, то есть смещение выходных характеристик вверх.

Входные характеристики. Входные характеристики транзистора с ОЭ (рисунок 3.3) отображают зависимость I6 = f (Uбэ) при Uкэ = const

При Uкэ = 0 оба p-n-перехода транзистора оказываются включенными в прямом направлении. Из эмиттера и коллектора осуществляется инжекция дырок в базу. В цепи базы проходит ток рекомбинации обоих переходов. Поэтому входная характеристика представляет собой ВАХ двух параллельно включен­ных р-п-переходов.

Рисунок 3.3 - Входные характеристики транзистора с ОЭ

 

При Uкэ < 0 коллекторный переход включается в обратном направлении и в цепи базы проходит ток Iб >0.

Если Uбэ = 0, то Iэ = 0 и в цепи базы проходит ток Iб = - Ikбo. Увеличе­ние напряжения Uбэ сопровождается рекомбинационной составляющей тока базы, и при некотором напряжении Uбэ ток базы становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения Uбэ сопровождается ростом тока базы. При увеличении отрицательного напряжения коллектора наблюдается смеще­ние характеристик в сторону оси токов. Это связано с прохождением обратного тока коллектора Ikбo.

Статический коэффициент передачи транзистора по постоянному току определяется как отношение тока коллектора I_K к току базы Iб.

β_DC = I_к / I_Б

Статический коэффициент передачи транзистора по переменному току определяется как отношение приращения тока коллектора I_k к приращению то­ка базы Iб:

β_AC = ΔI_к / ΔI_Б

Выходными статическими характеристиками транзистора, включенного с ОЭ является семейство характеристик

Ik = f(Uкэ)/ I_Б=const

 

Входными статическими характеристиками транзистора, включенного с ОЭ является семейство характеристик

 

Iб = f(UБэ) / Uкэ=const

 

Дифференциальное входное сопротивление Rbx транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряже­ния коллектор-эмиттер U_кэ. Оно может быть найдено как отношение прираще­ния напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы:

 

Rbx = ΔUбэ/ΔIб = (Uбэ2 - Uбэ1)/(Iб2 - Iб1)

 

Дифференциальное входное сопротивление транзистора R_bx в схеме с ОЭ через параметры транзистора определяется следующим выражением:

 

Rbx = Rб + β Rэ

 

где R_Б - распределенное сопротивление базовой области полупроводника, Rэ - дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения: Rэ = 25/Iэ, где Iэ - постоянный ток эмиттера в миллиамперах. Пер­вое слагаемое R_Б в выражении много меньше второго, поэтому им можно пре­небречь:

 

Rbx = β Rэ

 

Дифференциальное сопротивление Rэ перехода база-эмиттер для бипо­лярного транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением Rbx транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксирован­ном значении напряжения база-коллектор U_БК. Оно может быть найдено как от­ношение приращения напряжения U _БК к вызванному им приращению тока эмиттера I_э:

 

R_вхоб = ΔUбэ/ΔIэ = (U_БЭ2 - U_БЭ1)/(I_Э2 - I_Э1)

 

Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением:

 

R_ВХОБ = R_Б/β + R_Э

Первым слагаемым в выражении можно пренебречь, поэтому можно считать, что дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер прибли­зительно равно:

 

R_ВХОБ = R_Э

 

В режиме отсечки полярности и значения напряжений U_KЭ и U_БЭ таковы, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении. В этом случае через эмиттерный переход проходит обратный ток I _ЭБО, а через коллекторный переход - ток I _КБО. Во входной цепи проходит ток базы

 

I _{Б =} I _ЭБО + I _КБО