Залежно від принципу дії й конструктивних особливостей транзистори розділяють на два класи: біполярні й польові. Термін «транзистор» утворений від слів «transfer» – перетворювач і «resistor» – опір, тому що «транзисторами» називали резистори, опір яких можна було змінювати за допомогою прикладеної напруги. Якщо відволіктися від фізики процесів, то сучасний транзистор також можна представити як опір, що залежить від прикладеної до нього електричного сигналу.

Біполярний транзистор – це напівпровідниковий прилад, що складається з трьох областей провідності, типи яких чергуються. Основне призначення біполярного транзистора – перетворення енергії джерела живлення постійного струму в енергію електричних коливань різноманітної форми. Найбільш часто транзистори застосовуються для посилення потужності електричного сигналу. У біполярних транзисторах струм визначається рухом носіїв заряду двох типів: електронів і дірок, звідси їх назва – біполярні.

Біполярні транзистори класифікуються наступним чином:
- за матеріалом: германієві та кремнієві;
- за типом провідності: р-n-р і n-p-n;
- за потужностю: малої (до 0,3 Вт), середньої (до 1,5 Вт) і великої потужності (вище 1,5 Вт);
- за частотою: низькочастотні (НЧ), середнєчастотні (СЧ), високочастотні (ВЧ) і надвисокочастотні (СВЧ).

1. Пристрій і принцип дії

Біполярний транзистор являє собою пластину германія або кремнію, у якій створено три області з різною електропровідністю. У транзистора типуn-р-n середня область має діркову (р), а крайні області – електронну електропровідність (n). Транзистор типу р-n-р має середню область із електронної, а крайні області з дірковою електропровідністю. Структурні схеми біполярних транзисторів різних типів провідності й відповідні їм умовні позначки показані на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Біполярні транзистори: а) p-n-p, б) n-p-n типу.

Середня область транзистора називається базою, одна крайня область – емітером, інша – колектором. Таким чином у транзисторі є два р-n переходи: емітерний – між емітером і базою й колекторний – між базою й колектором.

Емітеромназивається область транзистора, призначена для інжекції носіїв заряду в базу.

Базою є область, в яку емітер інжектує неосновні для цієї області носії заряду.

Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази.

Від бази, емітера й колектора зроблені виводи. Залежно від того, який з виводів є загальним для вхідного і вихідного кола, розрізняють три схеми включення транзистора: із загальною базою (ЗБ), загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК).

Розглянемо роботу транзистора n-р-n типу в активному режимі, включеного за схемою із загальною базою (рис. 4.2). Зовнішні напруги двох джерел живлення Е_бе й Е_кб у цьому режимі подають до транзистора таким чином, щоб забезпечувався зсув емітерного переходу П1 у прямому напрямку (пряма напруга), а колекторного переходу П2 – у зворотному напрямку (зворотна напруга). Причому |Е_кб|> |Е_бе|.

Рис. 4.2. Принцип дії біполярного транзистора n-p-n типу.

Оскільки p-n перехід П1 зміщений у прямому напрямку, через область емітера починає протікати струм емітера I_е. Відбувається інжекція електронів через перехід П1 у базу, де електрони є неосновними носіями заряду й переміщаються в ній за рахунок дифузії.

Т.к. ширина бази невелика, тільки мала частина електронів устигає рекомбінувати з діркам, а більша частина електронів дійде до колекторного переходу П2. Рекомбінація електронів у базі викликає відповідний струм у зовнішньому для базі колі – струм бази I_б.

Електрони, що ввійшли в область колекторного переходу П2 попадають у сильне прискорюючи електричне поле, створене напругою Е_кб, і втягуються в область колектора (екстракція), створюючи в зовнішньому колі транзистора колекторний струм I_к.

Таким чином, у транзисторі протікає три струми – струм емітера, колектора й бази, які зв’язані між собою співвідношенням

                                        I_к = I_е – I_б.

У реальному транзисторі через колекторний р-n перехід тече невеликий зворотний струм I_кбо (одиниці мікроамперів), створений неосновними носіями зарядів бази й колектора. Зворотний струм протікає по колу: -Е_кб, база-колектор, +Е_кб.

Напрям струму в зовнішньому колі (рис. 4.2) відрізняється від напрямку потоку електронів усередині транзистора, тому що прийнято вважати, що струм протікає від більшого потенціалу до меншого, тобто від «+» до «-».

Фізичні процеси в транзисторі типу р-n-р протікають аналогічно процесам у транзисторі типу n-p-n.

Для схеми включення транзистора із ЗБ струм емітера I_і є вхідним струмом, а струм колектора I_к – вихідним. Струм колектора є частиною струму емітера - їх відношення являє собою частку носіїв зарядів, що інжектовані у базу, яка досягла колектора й називається коефіцієнтом передачі струму

                                        α = ΔI_к  /  Δ I_e .

Оскільки вихідний струм менше вхідного, то α < 1 (звичайно α = 0,99…0,997). Альтернативне позначення коефіцієнта передачі струму – h_21б.

У схемі із ЗЕ вихідним струмом є струм колектора, а вхідним – струм бази. Їхнє відношення визначає коефіцієнт підсилення за струмом

                                        β = ΔI_к  /  Δ I_б .

Т.к. α ≈ 1, то коефіцієнт підсилення за струмом дорівнює β = 50…300. У довідковій літературі коефіцієнт передачі струму позначається h_21е.

Вихідний струм транзистора залежить від вхідного струму. Тому біполярний транзистор – напівпровідниковий прилад, керований струмом.

Зміни струму емітера, викликані зміною напруги емітерного переходу, повністю передаються в колекторне коло, викликаючи зміну струму колектора. Через те, що напруга колекторного джерела живлення Е_кб значно більше ніж емітерного Е_бе, то й потужність, споживана в колі колектора Р_к, буде значно більше потужності в колі емітера Р_е. Таким чином, забезпечується можливість керування великою потужністю в колекторному ланцюзі транзистора за рахунок малої потужності, що затрачується в емітерному колі, тобто має місце посилення потужності.

2. Схеми увімкнення

В електричне коло транзистор включають таким чином, що один з його виводів є вхідним, другий – вихідним, а третій – загальним для вхідного і вихідного кіл. Як було відзначено раніше, залежно від того, який електрод є загальним, розрізняють три схеми включення транзисторів: ЗБ, ЗЕ і ЗК. Ці схеми для транзистора типу р-n-р наведені на рис. 4.3. Для транзистора n-р-n типу схеми включення відрізняються лише полярністю напруг і напрямком струмів.

Рис. 4.3. Схеми включення біполярного транзистора p-n-p типу: а) ЗБ; б) ЗЕ; в) ЗК.

Не залежно від схеми включення фізичні процеси в транзисторі не змінюються, але суттєво змінюються вхідні й вихідні величини. Кожна із схем включення транзистора характеризується основними показниками: коефіцієнтом підсилення за струмом, вхідним і вихідним опорами.

Для схеми із ЗБ:

− вхідні величини I_вх = I_е, U_вх = U_еб;
− вихідні величини I_вих = I_к, U_вих = U_кб;
− вхідний опір малий і становить 30-100 Ом, тому що вхідне коло являє собою відкритий емітерный перехід;
− вихідний опір високий і становить 0,5-2,0 МОм, тому що вихідний ланцюг являє собою закритий колекторний перехід.

Позитивні властивості схеми – гарні температурні й частотні властивості. Недоліки схеми: – схема не підсилює струм, тому що α < 1; малий вхідний опір. Зазначені недоліки обмежують застосування схеми включення транзистора із ЗБ.

Для схеми із ЗЕ:

− вхідні величини I_вх = I_б, U_вх = U_бе;
− вихідні величини I_вих = I_к, U_вих = U_ке;
− вхідний опір малий (близько 100-1000 Ом);
− вихідний опір високий і становить 2-20 кОм.

Позитивні властивості схеми – високий коефіцієнт підсилення за струмом β, більший вхідний опір, ніж у схеми з ЗБ. Схема з ЗЕ знайшла найбільше застосування у зв'язку із зазначеними позитивними властивостями. Недоліки схеми: гірші температурні й частотні властивості, низький вхідний опір, що ускладнює узгодження каскадів, виконаних за такою же схемою. Слід також зазначити, що при підсиленні сигналу каскад з ЗЕ перевертає фазу вхідної напруги на 180°, тобто вхідна й вихідна напруги протифазні друг стосовно друга.

Для схеми із ЗК:

− вхідні величини I_вх = I_б, U_вх = U_бк;
− вихідні величини I_вих = I_е, U_вих = U_ке;
− вхідний опір високий ( близько 0,1-1,0 МОм), тому що вхідне коло являє собою колекторний перехід, включений у зворотному напрямку;
− вихідний опір низький і становить 50-500 Ом.

Позитивні властивості схеми – високий вхідний опір, низький вихідний опір. Названі позитивні властивості дозволяють включати транзистор у коло малого вхідного сигналу та застосовувати схему ЗК для узгодження опору каскадів, що зібрані за схемою ЗЕ. Недолік схеми: коефіцієнт підсилення за напругою k_U < 1, тобто схема не підсилює напругу. Схема отримала назву емітерного повторювача через те, що навантаження включається в коло емітера, падіння напруги на якому практично дорівнює вхідній напрузі як за величиною, так за фазою.

3. Статичні характеристики

Статичними характеристиками транзисторів називають графічно виражені залежності напруги й струму вхідного кола (вхідні ВАХ) і вихідного кола (вихідні ВАХ), а також їх взаємозв'язок при відсутності навантаження у вихідному колі. Вид характеристик залежить від схеми включення транзистора. Докладно розглянемо характеристики транзистора, включеного за схемою з ЗЕ.

Вхідною характеристикою є залежність I_б = f(U_бе при U_ке = const (рис. 4.4, а).

Вихідною характеристикою є залежність I_к = f(U_ке) при I_б = const (рис. 4.4, б).

Рис. 4.4. Статичні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою ЗЕ.

Оскільки струм бази I_б може приймати безліч значень у межах вхідної характеристики, їм відповідає сімейство вихідних характеристик I_к = f(U_ке біполярного транзистора.

Вихідні характеристики встановлюють взаємозв'язок між вхідним струмом I_б, з одного боку, і вихідними струмом I_к і напругою U_ке – з іншої. Наприклад, для транзистора з вихідними характеристиками, наведеними на рис. 4.5, б) струму бази I_б = 0,1 мА й напрузі U_ке = 10 В відповідає струм колектора I_к = 7,5 мА. У свою чергу на вхідній характеристиці (рис. 4.5, а) струму бази I_б = 0,1 мА відповідає напруга U_бе = 0,17 В. Таким чином, згідно з виразом (4.3) можна визначити коефіцієнт підсилення транзистора за струмом

                           β = I_к  /  I_б = 7,5  /  0,1 = 75.

Високий коефіцієнт підсилення за струмом є найважливішою перевагою включення транзистора за схемою ЗЕ, чим визначається широке практичне застосування цієї схеми включення порівняно зі схемою ЗБ.

Вихідна характеристика при I_б = 0 відповідає непровідному стану транзистора, тобто стану відсічки, коли величина напруги U_бе менш необхідної величини прямого падіння напруги на емітерному переході. Теоретично в цьому режимі вихідний струм I_к відсутній, але реально через колекторний перехід протікає невеликий струм I_к = I_кбо.

4. Основні параметри

Для аналізу й розрахунків кіл з біполярним транзистором включеного за схемою ЗЕ зручно представляти його у вигляді активного чотириполюсника (рис. 4.3, б).

Чотириполюсником називають електричне коло або його частину, що має дві пари вхідних і вихідних затискачів (полюсів). Чотириполюсник, що має джерело енергії й здатен підсилювати потужність називають активним.

Електричний стан транзистора, включеного за схемою ЗЕ, характеризується парою вхідних I_б, U_бе й парою вихідних I_к, U_ке величин. Зв'язок між ними описується системою рівнянь із h-параметрами:

                              U_бе = h_11e · I_б + h_12e · U_ке.

                              I_к = h_21e · I_б + h_22e · U_ке.

де h_11e − вхідний опір транзистора змінному вхідному струму при короткому замиканні на виході, тобто при відсутності вихідної змінної напруги;
  h_12e − коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою, який показує, яка частка вхідної змінної напруги передається на вхід транзистора внаслідок зворотного зв'язку в ньому;
  h_21e − коефіцієнт підсилення за струмом (коефіцієнт передачі струму) показує посилення змінного струму транзистором у режимі роботи без навантаження;
  h_22e − вихідна провідність для змінного струму між вихідними затискачами транзистора.

Для запобігання перегріву колекторного переходу необхідно, щоб потужність, що виділяється на ньому при проходженні колекторного струму, не перевищувала деякої максимальної величини

                              P_к = I_к · U_ке ≤ P_к.max.

Крім того, існують обмеження по колекторній напрузі

                              U_ке ≤ U_ке.max,

і колекторному струму

                              I_к ≤ I_к.max.

5. Режими роботи

На кожний p-n перехід може бути подана як пряма, так і зворотна напруга. Відповідно розрізняють три основні режими роботи транзистора:

− режим відсічки (запирання) – на обидва переходи подана зворотна напруга (обидва р-n переходи закриті), вихідний струм відсутній;

− режим насичення – на обидва переходи подана пряма напруга (обидва р-n переходи відкриті), вихідний струм настільки великий, що подальше збільшення цього струму неможливо;

−активний режим – на емітерний перехід подана пряма, а на колекторний – зворотна напруга.

У режимі відсічки й режимі насичення керування транзистором майже відсутнє. Ці режими використовуються для роботи транзистора як ключа: ключ замкнутий – транзистор перебуває в режимі насичення, ключ розімкнутий – транзистор перебуває в режимі відсічки.

В активному режимі керування здійснюється найбільш ефективно, причому транзистор може виконувати функції активного елемента електричної схеми (підсилення, генерування й т.п.).

6. Область застосування

Біполярні транзистори є напівпровідниковими приладами універсального призначення й широко застосовуються в аналогових пристроях – підсилювачах, генераторах, в імпульсних і ключових пристроях.

Часто необхідно збільшити колекторний струм I_к (струм навантаження), у той час як параметри наявних транзисторів за струмом мають обмеження. У цьому випадку завдання вирішується шляхом їхнього паралельного з'єднання (рис. 4.5, а).

Рис. 4.5. Составний біполярний транзистор для: а) збільшення колекторного струму (потужності); б) коефіцієнта підсилення за струмом.

Умовою паралельної роботи є мінімальний розкид характеристик однотипних транзисторів (необхідний їхній добір за коефіцієнтом h_21е. Крім того, у ланцюг емітера кожного транзистора встановлюють балансові резистори R_е, величиною опорів яких досягають однакових за величиною струмів I_е транзисторів. Падіння напруги на кожному резисторі R_е в діапазоні робочих струмів повинне бути не менш 0,7 В.

Якщо є потреба отримання високого коефіцієнта підсилення, застосовують схему Дарлінгтона (рис. 4.5, б). У якості транзистора VT1 використовується малопотужний транзистор, який керує більш потужним транзистором VT2. Загальний коефіцієнт підсилення за струмом в цьому випадку дорівнює

                              h_21e = h_21e.VT1 · h_21e.VT2 .

Як було відзначено раніше, найбільше застосування знайшла схема включення транзистора із загальним емітером. Схема найпростішого підсилювального каскаду зображена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схема найпростішого підсилювального каскаду на біполярному транзисторі із загальним емітером.

Основними елементами схеми є джерело живлення Е_к, керований елемент – транзистор VT і резистор R_к. Ці елементи утворюють головне (вихідне) коло підсилюючого каскаду, у якому за рахунок протікання керованого струму i_к створюється посилена змінна напруга u_вих на виході схеми.

Інші елементи виконують допоміжну роль. Резистор R_б, включений у ланцюг бази, забезпечує роботу транзистора в режимі спокою, тобто під час відсутності вхідного сигналу. Режим спокою забезпечується струмом бази спокою

                              I_б.сп ≈ Е_к  /  R_б .

Струму бази спокою I_б.сп згідно із вхідною характеристикою (рис. 4.4, а) відповідає напруга U_бе.сп.

Конденсатор С_р є розділюючим. Для постійного струму він являє собою обрив кола, блокуючи протікання постійного струму від джерела +Е_к у джерело вхідного сигналу. Таким чином, низький вхідний опір емітерного переходу не шунтує джерело е_вх.

Змінний струм від джерела вхідного сигналу е_вх безперешкодно тече через конденсатор і на емітерному переході створює падіння напруги

                              u_бe = U_бе.сп  +  u_вх ,

де u_вх = е_вх для ідеального джерела е.р.с.

При подачі на емітерний перехід вхідної змінної напруги u_вх відбувається її накладення на постійну напругу U_бе.сп – при позитивному півперіоді вони складаються, а при негативному – віднімаються (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Зміщення вхідного сигналу.

Змінна напруга в базовому колі транзистора викликає зміну струму бази, виникає змінна складова струму бази

                              i_б = I_б.сп  +  i_вх .

Змінна складова струму бази приводить до зміни струму колектора, оскільки i_к = β · i_б, а також до зміни напруг на опорі R_к і колекторному переході u_ке. Однак, у відповідності до другого закону Кірхгофа сума цих напруг завжди буде дорівнювати постійній величині е.р.с. джерела живлення Е_к

                              Е_к = u_ке  +  R_к · i_к .

За рахунок протікання по резистору R_к струму i_к на ньому падає вихідна напруга u_вих. Вихідна напруга можна знімати як з резистора R_к, так і з переходу колектор-емітер транзистора VT, принципової різниці немає.

Підсилювальні здатності обумовлені тим, що зміна значень струму колектора в β раз більше, ніж струму бази.

Процес підсилення заснований на перетворенні енергії джерела постійної напруги Е_к в енергію змінної напруги у вихідному колі за рахунок зміни опору керованого елемента (транзистора) за законом, що задається вхідним сигналом.

7. Контрольні питання

1. Що називають біполярним транзистором (БТ)?
2. Як класифікуються БТ
3. Яке призначення має біполярний транзистор?
4. Приведіть умовне графічне позначення БТ p-n-p типу.
5. Яку область БТ називають емітером?
6. Яку область БТ називають колектором?
7. Яку область БТ називають базой?
8. Назвіть і запишіить, як пов’язані між собою струм колектора, емітера і бази БТ?
9. Приведіть умовне графічне позначення БТ n-p-n типу.
10. Приведіть схему вмикання БТ з загальною базою (ЗБ).
11. Приведіть схему вмикання БТ з загальним емітером (ЗЕ).
12. Приведіть схему вмикання БТ з загальним колектором (ЗК).
13. Як визначається коефіцієнт передачі струму α для схеми з ЗБ?
14. Чому дорівнює величина α?
15. Як визначається коефіцієнт підсилення струму β для схеми з ЗЕ?
16. Чому дорівнює величина β?
17. Наведіть ВАХ БТ, увімкненого за схемою з ЗБ.
18. Наведіть ВАХ БТ, увімкненого за схемою з ЗЕ.
19. Як визначити вхідний опір БТ?
20. Як визначити коефіцієнт передачі струму БТ α?
21. Як визначити коефіцієнт підсилення за струмом БТ β?
22. Як забезпечити активний режим роботи біполярного БТ?
23. Як забезпечити режим роботи відсічення БТ?
24. Як забезпечити режим роботи насичення БТ?
25. Яке призначення має підсилювальний каскад?
26. Дати визначення режиму спокою підсилювального каскаду.
27. Для чого призначений конденсатор С_Р (рис. 4.6)?
28. Для чого призначений резистор R_К (рис. 4.6)?
29. Для чого призначений резистор R_Б (рис. 4.6)?
30. Приведіть схему складеного транзистору для підвищення струму колектора.
31. Приведіть схему складеного транзистору для підвищення коефіцієнту підсилення за струмом.

НАГОРУ