Биполярный транзистор

Транзистор усилительный полупроводниковый прибор – способен усиливать электрическую мощность. Приборы усиливающие только ток или напряжение – не усилительные. Принцип работ основан на изменении его активного или реактивного сигнала. В простом случае усилитель состоит из усилительного элемента с изменяемым сопротивлением , источника сигнала , нагрузки и источника питания .

Под воздействие слабого сигнала сопротивление усилительного прибора изменится от . В соотношении с этим ток нагрузки будет изменяться от . Значение нагрузки в этом случае так же изменится от .

Биполярные транзисторы функционируют на базе двух типов носителей заряда: электронов и дырок. Структура биполярного транзистора содержит два p-n перехода: эмиттерный и коллекторный

Задача перехода эмиттер-база заключается в инжекции (впрыскивании) носителей заряда в базу, т. е. эмитер является генератором свободных носителей заряда. Если это так то транзистор условно можно разделить на две части по плоскости , где левая часть является инжектором, а правая является транзистором т. к. выполняет функцию усиления. Из этого следует, что в качестве инжектора в транзисторных структурах можно использовать: световые потоки, контакты металл-полупроводник, гетеропереходы, p-n переходы, потоки заряженных частиц и т. д. Рассмотрим коллекторный p-n переход: сопротивление обратносмещенного перехода коллектора составляет несколько МОм; характерной особенностью является оказание большого сопротивления потока основных носителей заряда и полное отсутствие для неосновных (см. рис.)

где – мощность светового потока, выполняющего функцию инжектора.

Поэтому при достаточно высоком уровне инжекции можно значительно увеличить ток в обратносмещенном p-n переходе, тем самым «снизить» его сопротивление

Рассмотрим физические и энергетические модели реального биполярного транзистора типа

При нормальном включении транзистора (режим усиления) переход эмиттер-база смещается в прямом направлении (режим инжекции), а коллекторный в обратном. Прямосмещенный эмиттерный переход имеет малое сопротивление, и при полном открытии p-n перехода ( ) сопротивление определяется исключительно сопротивлением материала. Коллекторный переход при отсутствии инжекции из эмиттера имеет очень большое сопротивление (несколько МОм), поэтому в цепь коллектора можно включить нагрузку с достаточно большим сопротивлением, практически не изменяя значение коллекторного тока. Однако численное значение сопротивления нагрузки должно быть в бесконечное количество раз меньше сопротивления обратносмещенного p-n перехода коллектора. Биполярные транзисторы изготавливают так, что бы концентрация электронов в эмиттере значительно превышала концентрацию дырок в базе, в этом случае малым потоком дырок инжектированных из базы в эмиттер можно пренебречь, т. е. можно считать, что при прямом смещении весь ток эмиттера определяется потоком инжектированных электронов, т. е. . Для уменьшения потерь на рекомбинацию инжектированных в базу электронов эмиттерные и коллекторные p-n переходы располагают на расстояниях меньше диффузионной длины . При прямом смещении эмиттерного перехода поток инжектированных в базу электронов практически без потерь на рекомбинацию доходит до коллектора, поэтому в реальных приборах выполняется равенство . Таким образом, в обратносмещенном коллекторном переходе значение тока становится таким же, как и в прямосмещенном эмиттерном переходе. Если ток коллектора возрастает при неизменном напряжении источника питания, то физически это означает, что сопротивление коллекторного перехода уменьшилось, стало такого же порядка, как и сопротивление эмиттерного перехода. Следовательно, в результате инжекции из эмиттера происходит преобразование сопротивления коллектора. Сопротивление коллекторного перехода уменьшается пропорционально уменьшению тока инжекции. В результате инжекции ток коллектора может возрасти на 4–5 порядков, а сопротивление коллектора соответственно на 4–5 порядков уменьшается. Сопротивление нагрузки равное 1 МОм становится значительно больше сопротивления коллектора. И тогда можно считать, что в напряжение источника питания сосредоточено на нагрузке, т. е. выполняется равенство:

падение напряжения на эмиттере:

Сопротивление нагрузки значительно больше сопротивления прямосмещенного эмиттерного p-n перехода. поэтому при одинаковых токах выполняется неравенство . Выделяемая при этом на нагрузке мощность выражается как произведение:

– либо ток эмиттера либо ток коллектора

поскольку выполняется равенство и , то , что означает усиление по мощности.