Лекція 4: Біполярний Транзистор — Повний Навчальний Посібник

Історія та Визначення Біполярного Транзистора

У 1949 роцi $В. Шоклі$ розробив теорію транзисторів на основі теорії $p-n$ -переходів. Першим пристроєм був біполярний точковий германієвий тріод.

Слово «транзистор» утворено шляхом поєднання двох англійських слів:

Transfer — перекладається як «передача».
Resistor — перекладається як «опір».

Таким чином, транзистор — це особливого роду опір, який регулюється напругою між базою і емітером (або струмом бази) у біполярних транзисторів, та напругою між затвором і витоком у польових транзисторів. Прикладами маркування транзисторів є $КТ503$ , $2Т814$ , $КП103$ .

Принцип Посилення Електричних Сигналів

Транзистори виконують операцію посилення електричних сигналів. Цей процес є критичним для радіоприймання та телебачення. Наприклад, слабкий сигнал з антени потужністю в мільярдні частки ват необхідно посилити до рівня в кілька десятків або навіть сотень ват, щоб отримати звук або зображення на екрані.

Процес посилення полягає в тому, щоб за допомогою додаткових джерел енергії (отриманої від блоку живлення) створити потужну копію слабкого вхідного сигналу. Іншими словами, малопотужний вхідний вплив управляє потужними потоками енергії.

Будова Біполярного Транзистора (БПТ)

Біполярний транзистор складається з трьох областей, які утворюють два $p-n$ переходи:

Емітер (Е): Крайня область, яка є джерелом носіїв струму. Вона інжектує рухливі заряди до бази.
База (Б): Середня область. Вона є основною керуючою областю та підставою для побудови двох переходів. Її також називають «основним електродом» або «керуючим електродом».
Колектор (К): Інша крайня область, яка «збирає» носії заряду, що вийшли з емітера та пройшли крізь базу.

Залежно від типу провідності областей, виділяють два типи транзисторів:

n-p-n тип.
p-n-p тип.

Умовні позначення цих типів відрізняються лише напрямком стрілочки на емітері, яка вказує напрямок протікання струму.

Фізичні Процеси та Робота Переходів

Транзистор має два основні переходи:

Емітерний перехід (ЕБ): перехід між емітером та базою.
Колекторний перехід (БК): перехід між базою та колектором.

В активному режимі роботи:

Емітерний перехід підключається із прямим зсувом.
Колекторний перехід підключається із зворотним зсувом.

Процес Інжекції

Інжекцією називається введення носіїв струму в область, де вони є неосновними носіями.

У транзисторі $p-n-p$ типу емітер інжектує в базу дірки.
Для ефективної роботи концентрацію носіїв в емітері роблять у $10^{2} - 10^{3}$ разів більшою, ніж концентрацію в базі. Завдяки цьому зустрічний потік носіїв з бази в емітер можна не враховувати.

Рух Носіїв у Базі

Оскільки колекторний перехід зміщений у зворотному напрямку, його опір дуже високий, а падіння напруги в базі — мінімальне. Це означає майже повну відсутність електричного поля в базі. Носії (наприклад, дірки) переміщуються через базу переважно за рахунок дифузії.

Умова ефективності транзистора: ширина бази $w$ повинна бути значно меншою за середню довжину пробігу носія до рекомбінації $l_{0}$ .

Для германію ( $Ge$ ) $l_{0} ≈ 0.3 - 0.5\,mm$ .
Товщина бази зазвичай не перевищує $0.25\,mm$ .

Більшість інжектованих носіїв досягає колекторного переходу, де вони підхоплюються електричним полем і дрейфують у колектор. Частина носіїв рекомбінує в базі, що створює слабкий струм бази $I_{b}$ .

Рівняння Струмів та Коефіцієнт Посилення

Згідно з першим законом Кірхгофа, струми в транзисторі пов'язані співвідношенням: $I_{e} = I_{b} + I_{k}$

Де:

$I_{e}$ — струм емітера.
$I_{b}$ — струм бази.
$I_{k}$ — струм колектора.

Струм колектора завжди трохи менший за струм емітера на величину струму бази: $I_{k} = I_{e} - I_{b}$ .

Коефіцієнт посилення струму ( $\beta$ або $h_{21E}$ ): Збільшення струму колектора прямо пропорційне збільшенню струму бази: $\Delta I_{k} = \beta \Delta I_{b}$ Цей коефіцієнт може досягати значень від десятків до 99(999).

Схеми Включення Біполярного Транзистора

Оскільки транзистор має три електроди, при включенні в коло один з них завжди є спільним для вхідного та вихідного ланцюгів.

1. Схема із загальним емітером (ЗЕ)

Найбільш поширена схема.

Посилення: Надає найбільше посилення по напрузі, струму та потужності (до десятків тисяч одиниць).
Фаза: Змінює фазу вихідної напруги на $180^{\circ}$ відносно вхідної.
Живлення: Можна живити від одного джерела.
Струми та напруги: $I_{вих} = I_{k}$ , $I_{вх} = I_{b}$ , $U_{вх} = U_{be}$ , $U_{вих} = U_{ke}$ .
Коефіцієнт струму: $\beta = \frac{I_{k}}{I_{b}} = \frac{\alpha}{1 - \alpha}$ , де $\beta ≫ 1$ .

2. Схема із загальною базою (ЗБ)

Посилення: Коефіцієнт посилення по струму завжди менше одиниці ( $\alpha < 1$ ). Посилення по напрузі таке ж, як у ЗЕ.
Фаза: Не інвертує фазу сигналу.
Властивості: Знижений рівень шумів на високих частотах.
Недоліки: Потребує двох джерел живлення.

3. Схема із загальним колектором (ЗК / Емітерний повторювач)

Зворотний зв'язок: Характеризується дуже сильним негативним зворотним зв'язком.
Посилення: Посилення по напрузі менше одиниці ( $< 1$ ). Коефіцієнт посилення по струму: $\frac{I_{e}}{I_{b}} = \beta + 1$ .
Опір: Має високий вхідний опір.

Режими Роботи Транзистора

Активний режим: Емітерний перехід відкритий, колекторний — закритий. Використовується для підсилення сигналів.
Режим насичення: Обидва переходи відкриті. Велике скупчення носіїв заряду в базі, опір переходів мінімальний. Транзистор діє як еквіпотенційна точка (коротке замикання).
Режим відсічення: Обидва переходи закриті. Струм майже відсутній (крім малих теплових струмів), опір дуже високий. Транзистор діє як розрив ланцюга.
Інверсний активний режим: Колекторний перехід відкритий, емітерний — закритий. Підсилювальні властивості практично відсутні, використовується рідко.

Вольтамперні Характеристики (ВАХ)

Параметри транзистора в схемі ЗЕ часто оцінюють за статичними характеристиками (де $U$ та $I$ не залежать від часу).

Вхідна характеристика

Залежність вхідного струму від вхідної напруги: $I_{b} = f(U_{be})$ при $U_{ke} = const$ .

Нахил характеристики залежить від напруги на колекторі. При зменшенні негативної напруги $U_{ke}$ нахил у бік осі напруг зменшується.
Вхідний опір ( $R_{вх}$ ): Визначається за формулою $R_{вх} = \frac{\Delta U_{be}}{\Delta I_{b}}$ . Графічно це котангенс кута нахилу дотичної в робочій точці.

Вихідна характеристика

Залежність вихідного струму від вихідної напруги: $I_{k} = f(U_{ke})$ при $I_{b} = const$ .

Має дві області: початкову (різке зростання струму) та основну/активну (слабка залежність струму від напруги).
Вихідний опір ( $R_{вих}$ ): $R_{вих} = \frac{\Delta U_{ke}}{\Delta I_{k}}$ при $I_{b} = const$ .

Параметри Транзистора та Система h-параметрів

Параметри поділяються на:

Власні (первинні): $\alpha$ , $r_{e}$ , $r_{k}$ , $r_{b}$ . Вони не залежать від схеми включення.
Вторинні: Залежать від схеми включення, справедливі для низьких частот і малих амплітуд.

Система h-параметрів (гібридна):

$h_{11E}$ : Вхідний опір при короткому замиканні на виході ( $U_{m2} = 0$ ). $h_{11} = \frac{U_{m1}}{I_{m1}}$ .
$h_{12E}$ : Коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі при розімкнутому вході ( $I_{m1} = 0$ ). $h_{12} = \frac{U_{m1}}{U_{m2}}$ .
$h_{21E}$ : Коефіцієнт передачі струму (посилення) при $U_{m2} = 0$ . $h_{21} = \frac{I_{m2}}{I_{m1}}$ .
$h_{22E}$ : Вихідна провідність при розімкнутому вході ( $I_{m1} = 0$ ). $h_{22} = \frac{I_{m2}}{U_{m2}}$ .

Зв'язок між змінними струмами та напругами описується рівняннями: $U_{m1} = h_{11}I_{m1} + h_{12}U_{m2}$ $I_{m2} = h_{21}I_{m1} + h_{22}U_{m2}$

Основні Технічні Показники

Коефіцієнт посилення по напрузі: Відношення приросту вихідної напруги до вхідної ( $\frac{U_{вих}}{U_{вх}}$ ). Може сягати десятків тисяч.
Частотна характеристика: Показує залежність коефіцієнта посилення від частоти сигналу.
Статичний коефіцієнт посилення: Відношення струмів при постійній напрузі без навантаження. В реальних схемах з навантаженням цей коефіцієнт завжди менший.