4) Биполярный транзистор. Его структура. ВАХ.

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Рассмотрим ВАХ транзистора для различных схем включения (нормальный активный режим). При построении ВАХ в цепи любого из электродов не должно быть дополнительных элементов.

Схема с ОБ.

Входная характеристика: iЭ = f (UЭБ) при UКБ = const (рисунок 7).

При UКБ1 = 0 входная характеристика представляет собой обычную ВАХ прямосмещенного p-n перехода. При UКБ ≠ 0: когда UЭБ = 0. т.е. ЕЭ = 0 имеем следующие процессы. В выходной цепи существует ток. Неосновные носители заряда проходя через узкую и достаточно длинную n-область создают разность потенциалов, который обеспечивает начальный ток эмиттера, т.е. при UКБ2 ≠ 0 происходит смещение ВАХ вверх по оси токов. С увеличением UКБ смещение будет увеличиваться, т.к. будет возрастать начальный ток эмиттера.

Выходная характеристика: iК = f (UКБ) при IЭ = const (рисунок 8).

При IЭ = 0 входная цепь разорвана и выходная ВАХ представляет собой ВАХ обратносмещенного p-n перехода.

При увеличении IЭ. При подключении ЕЭ и отсутствии ЕК IK создается основными носителями заряда инжектированными эмиттером. При подключении ЕК ток начнет увеличиваться из-за неосновных носителей базы. Но есть еще одно обстоятельство. При увеличении ЕК, коллекторный переход, находящийся под обратным смещением начнет уменьшаться. А значит дырке из эмиттера нужно пройти меньшее расстояние, чтобы попасть из базы в p-область, т.е. уменьшается вероятность ее рекомбинации – эффект модуляции тока. За счет этой составляющей коллекторный ток также увеличивается.

В сочетании с нагрузочной прямой по ВАХ можно получить реальный режим работы. При увеличении тока эмиттера увеличивается ток коллектора и уменьшается напряжение на нем. Существуют предельные значения напряжения UКБ и IК. Следовательно, существует и предельно допустимая мощность, выражаемая гиперболой. Этими границами руководствуются при выборе нагрузки, т.к. нагрузочная прямая не должна лежать за пределами границ.

Схема с ОЭ.

Входная характеристика: iБ = f (UБЭ) при UКЭ = const (рисунок 9).

При UКЭ1 = 0 входная характеристика представляет собой обычную ВАХ прямосмещенного p-n-перехода (эмиттерного, т.к. UКЭ=0).

При увеличении UКЭ2 IКБ0<0, т.к. ток протекает в направлении противоположном протеканию тока в нормальном активном режиме. Поэтому ВАХ смещается вниз по оси токов.

Выходная характеристика: iК = f (UКЭ) при IБ = const (рисунок 10).

При IБ = 0. В этом случае имеем два встречно соединенных p-n-перехода: 1- смещен в обратном направлении, 2 – в прямом. При обратном смещении сопротивление перехода велико, поэтому ток будет определяться обратносмещенным переходом. Поэтому в нашем случае, выходная ВАХ представляет собой ВАХ коллекторного перехода при обратном смещении. При IБ ≠ 0 : когда UКЭ = 0 IK < 0.

Схема с ОК.

Входная характеристика: iБ = f (UБК) при UЭК = const (рисунок 11).

При UЭК1 = 0. При UБК = 0 источников электрической энергии нет и IБ = 0. При увеличении UБК к транзистору будут прикладываться обратное напряжение и оба перехода будут смещаться в обратном направлении, поэтому ВАХ – это обратная ветвь p-n-перехода.

При UЭК2 ≠ 0 появиться ЕЭ, которая будет пытаться сместить эмиттерный переход в прямом направлении. При ЕЭ = ЕБ IБ = 0. Далее ЕЭ > ЕБ – переход смещается в обратном направлении. Поэтому при увеличении UЭК характеристика смещается вправо по оси напряжений.

Схема с ОК характеризуется очень маленькими входными токами. Напряжения могут быть большими. Схема с ОК имеет большое входное сопротивление.

Выходная характеристика: iЭ = f (UЭК) при IБ = const (рисунок 12).

Выходные характеристики схемы с ОК аналогичны выходным характеристикам схемы с ОЭ.