Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих p-n-перехода, называется биполярным транзистором. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают p-n-p-транзисторы и n-p-n-транзисторы. Их условные обозначения и устройство показаны на рис. 24.
Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.
Рис. 24. Условные обозначения и устройство транзисторов
р-п-р (а, б) и п-р-п (в, г) типов (показано смещение переходов
транзисторов при работе в линейном режиме).
В основном биполярные транзисторы применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт).
В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:
– низкочастотные – не более 3 МГц;
– средней частоты - от 3 МГц до 30МГц;
– высокочастотные – от 30 МГц до 300 МГц;
–сверхвысокочастные – более 300 МГц).
И по мощности:
– маломощные – не более 0,3 Вт;
– средней мощности – от 0,3 Вт до 1,5 Вт;
– большой мощности – более 1,5 Вт).
Разновидностью биполярных транзисторов являются лавинные транзисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносекундного диапазона.
Другую разновидность биполярных транзисторов представляют двухэмиттерные модуляторные транзисторы, в которых конструктивно объединены две транзисторные структуры.
Широкое распространение в последние годы получили составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.
В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.
В линейном режиме работы биполярного транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки - оба перехода в обратном направлении. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный - в обратном.
Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным - это режим пробоя.
Принцип работы биполярного транзистора основан на возможности управления токами электродов путем изменения напряжений, приложенных к электронно-дырочным переходам. В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению UБЭ, через него протекает ток базы IБ. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется выражением:
,
где βDC - статический коэффициент передачи тока базы.
Прямое падение напряжения UБЭна эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:
,
где Iк.б.0- обратный ток коллекторного перехода, а φT- температурный потенциал, который при температуре Т=300 К составляет для кремния примерно 25 мВ.
При прямом смещении эмиттерного перехода и при условии Uб.э. > φT ток коллектора возрастает с ростом напряжения Uб.э. по экспоненциальному закону:
,
где Uб.э.< ψK (ψK - контактная разность потенциалов).
Важнейшими характеристиками транзистора являются его входная и выходные вольтамперные характеристики. Типичные ВАХ биполярного транзистора приведены на рис. 25. Кроме ВАХ для расчета и анализа транзисторных схем используют числовые характеристики: статический коэффициент передачи тока, коэффициент передачи тока, дифференциальное входное сопротивление. Значения этих характеристик зависят от схемы включения транзистора.
На рис. 26 приведена схема включения биполярного транзистора п-р-п - типа с общим эмиттером. Для такой схемы справедливо следующее соотношение между токами:
,
где Iэ , Iб , Ik - сила тока в цепях эмиттера, базы и коллектора, соответственно.
Рис. 25. Входная (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора.
Рис. 26. Схема включения биполярного транзистора n-р-n-типа с общимэмиттером.
Рассмотрим основные характеристики биполярного транзистора.
Статический коэффициент передачи тока βDC определяется как отношение тока коллектора IКк току базы IБ:
,
Коэффициент передачи тока βACопределяется отношением приращения коллекторного тока ΔIK к вызывающему его приращению тока базы ΔIБ:
,
Дифференциальное входное сопротивление rBXтранзистора в схеме с общим эмиттером определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер ΔUБЭк вызванному им приращению тока базы ΔIБ:
,
Дифференциальное входное сопротивление rвх.можно определить через параметры транзистора по формуле:
,
где rБ - распределенное сопротивление базовой области полупроводника;
rЭ- дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения: rЭ= 25/IЭ ,а Iэ –постоянный ток эмиттера в миллиамперах.
Первое слагаемое rБ много меньше второго rЭ. Поэтому выражение можно упростить:
,
,
,
,
,
,
,
,
.