Биполярные транзисторы и их характеристики

Для нормальной работы изменения силы тока нужны специальные устройства – транзисторы. Статья посвящена одной из разновидностей этих устройств – биполярным транзисторам. Здесь детально описано, что это такое, где и как применяется. Подробно освещены технические характеристики, рассмотрены особенности конструкции, указаны достоинства и недостатки. Прилагаются схемы подключения устройств.

Что такое биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это разновидность транзистора, где электроны и дырки используются в качестве носителей заряда.

Униполярные транзисторы, такие как полевые транзисторы, задействуют только один вид носителя заряда, биполярные используют же два перехода между двумя типами полупроводников – n-тип и p-тип.

Где и как используется биполярный транзистор

Устройства могут применяться как усилители или переключатели. Такая функция предоставляет им большую сферу применения в электронном оборудовании: компьютеры, телевизоры, мобильные телефоны, смартфоны, усилители звука, промышленный контроль, а также радиопередатчики.

Также устройства входят в состав катушки Теслы, а также могут являться элементом высокочастотного преобразователя наряду с трансформаторами тока.

Особенности конструкции

Устройство биполярного транзистора состоит из трёх по-разному легированных полупроводниковых областей:

• области эмиттера;
• области базы;
• области коллектора.

Этими областями являются соответственно p-тип, n-тип и p-тип в транзисторе PNP и n-тип, p-тип и n-тип в NPN-транзисторе.

Каждая полупроводниковая область соединена с выводом, который имеет соответствующее обозначение: эмиттер (E), основание (B) и коллектор (C).

Основание расположено между излучателем и коллектором. Оно изготовлено из легированного легкого материала с высоким удельным сопротивлением. Коллектор окружает область эмиттера, что делает практически невозможным выход электронов, инжектированных в базовую область, без сбора. Это делает результирующее значение α очень близким к единице, таким образом давая транзистору большой коэффициент усиления тока (β). Вид в поперечном сечении биполярного транзистора указывает на то, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, нежели переход эмиттер-база.

Технические характеристики биполярного транзистора

С общей базой:

• Входной импеданс – низкий.
• Выходной импеданс – очень высокий.
• Фазовый угол – 0 градусов.
• Усиление напряжения – высокое.
• Усиление тока – низкое.
• Усиление мощности – низкое.

С общим эмиттером:

• Входной импеданс – средний.
• Выходной импеданс – высокий.
• Фазовый угол – 180 градусов.
• Усиление напряжения – среднее.
• Усиление тока – среднее.
• Усиление мощности – очень высокое.

С общим коллектором:

• Входной импеданс – высокий.
• Выходной импеданс – низкий.
• Фазовый угол – 0 градусов.
• Усиление напряжения – низкое.
• Усиление тока – высокое.
• Усиление мощности – среднее.

Также есть такой показатель, как частота. Она обозначает возможность работы устройства до его определённых пределов.

Как работает биполярный транзистор

В стандартной работе соединение база-эмиттер смещено вперед. Это значит, что сторона соединения с легированием типа p имеет более положительный потенциал, чем сторона с легированием типа n. Соединение база-коллектор имеет обратное смещение.

Когда прямое смещение применяется к переходу база-эмиттер, нарушается равновесие между термически генерируемыми носителями и отражающим электрическим полем области истощения эмиттера с n-присадкой. Это позволяет термически возбужденным электронам инжектироваться из эмиттера в область базы. Эти электроны диффундируют (соединяются) через основание из области высокой концентрации рядом с эмиттером в область низкой концентрации вблизи коллектора. Электроны в основании называются миноритарными носителями, так как основание легировано р-типом, что делает дырки основным носителем в основании.

Поток заряда в биполярном транзисторе обусловлен диффузией носителей заряда через соединение между двумя областями с разной концентрацией заряда. Дискретный транзистор имеет три провода для подключения к этим областям. Как правило, область эмиттера сильно легирована по сравнению с двумя другими слоями. Коллектор легирован гораздо легче, чем основание (легирование коллектора обычно в десять раз легче базового легирования).

По своей конструкции большая часть тока коллектора биполярного транзистора обусловлена ​​потоком носителей заряда (электронов и/или дырок), которые инжектируются из сильно легированного эмиттера в основание. Уже там они являются миноритарными носителями, которые диффундируют к коллектору.

Существует несколько режимов работы биполярного транзистора:

• нормальный;
• барьерный;
• инверсный активный;
• режим осечки.

Какие есть виды

Среди наиболее популярных встречается два типа биполярных резисторов – NPN и PNP.

Транзистор NPN

Это один из двух типов биполярных транзисторов, состоящих из слоя p-легированного полупроводника между двумя n-легированными слоями.

Небольшое количество тока, поступающего в базу, усиливается для того, чтобы увеличить ток коллектора и эмиттера. То есть когда есть положительная разность потенциалов, измеренная от базы NPN-транзистора к его эмиттеру (то есть когда база выше касательно эмиттера), а также положительная разность потенциалов, измеренная от коллектора к эмиттеру, транзистор становится активным. В этом «включенном» режиме ток течет от коллектора к эмиттеру транзистора. Большая часть тока переносится электронами, которые идут от эмиттера к коллектору в качестве неосновных носителей в базовой области p-типа.

Чтобы обеспечить больший ток и более быструю работу, большинство биполярных транзисторов, используемых сегодня, являются NPN. Это связано с тем, что у них подвижность электронов выше, чем подвижность дырок.

Транзистор PNP

Он состоит из слоя n-легированного слоя полупроводника между двумя p-легированными.

Когда небольшой ток покидает базу, то он усиливается на выходе коллектора. То есть транзистор PNP включен, когда его основание опущено относительно эмиттера. В PNP-транзисторе область эмиттер-база смещена вперед. В связи с этим отверстия вводятся в базу в качестве миноритарных носителей. Основание очень тонкое, и большинство отверстий пересекают обратное смещение соединения база-коллектор с коллектором.

Стрелки на символах транзистора NPN и PNP указывают на PN-соединение между базой и эмиттером. Когда устройство находится в прямом активном или прямом насыщенном режиме, стрелка, расположенная на ножке эмиттера, указывает в направлении обычного тока.

Биполярные транзисторы можно классифицировать по другим характеристикам.

Наибольшая распространяемая мощность:

• 0-0,3 Вт;
• 0,3-3 Вт;
• выше 3 Вт.

Материал производства:

• кремний;
• арсенид галия.

Размер частот:

• низкая (до 3 мГц);
• средняя (до 30 мГц);
• высокая (до 300 мГц)
• сверхвысокая (свыше 300 мГц).

Достоинства

• Устройство обладает большой пропускной способностью усиления.
• Оно демонстрирует качественную производительность на высокой частоте.
• Устройство имеет наилучшее усиление напряжения.
• Оно может работать как при низкой, так и при высокой мощности.
• Обладает высокой плотностью тока.
• Имеет низкое прямое падение напряжения.

Недостатки

Воздействие на транзистор ионизирующего излучения может вызывать радиационные повреждение. Радиация вызывает накопление «дефектов» в области базы, которое является центром процесса рекомбинации. Возникающее в результате сокращение срока службы некоторых компонентов устройства приводит к постепенной потере коэффициента усиления транзистора.

Транзисторы имеют «максимальные номинальные показатели»: мощность, максимальные номиналы тока коллектора и базы, а также номинальные показатели упадка напряжения. Если показатели будут выше этих номинальных показателей, то устройство может выйти из строя или, по крайней мере, ухудшить свою работу.

Схемы подключения

Существует несколько схем включения биполярных транзисторов.

Их конструкция зависит от общего вывода, и делятся они на 3 группы:

• с общей базой;
• с общим эмиттером;
• с общим коллектором.

Схема включения с общей базой:

В функции эмиттера входит инжекция (поставка) основных носителей на базу. Как пример – электроны. Источники должны быть согласованы с условием E2 >> E1. За ограничение тока открытого перехода p-n отвечает резистор Rэ.

Электрический ток будет небольшим при условии E1 = 0. Также он является начальным коллекторным током (I к 0). Если E1 > 0 электроны смогут попасть в базу, так как проходят через p-n-переход.

У базы должно быть довольно большое удельное сопротивления, что делает в ней концентрацию ней дырок низкой. В связи с этим некоторые электроны, которые достигли базы, проходят процесс рекомбинации с дырками. Так, получается базовый электрический ток Iб. В это же время с областью E2 воздействует гораздо большее поле, по сравнению с переходом эмиттера. Это и заводит электроны в сам коллектор. Именно это и обуславливает достижение коллектора большей частью электронов.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером:

Схема включения с общим коллектором. А – принципиальная схема, б – эквивалентная.

Подключение данных устройств является довольно трудоёмким процессом, требующим особого внимания и ответственности.