Биполярный транзистор. Определение

1.

Биполярный транзистор

2.

Определение
Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый
элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два
электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в
виде двух встречно включенных диода. В зависимости от структуры
различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

3.

Принцип работы транзистора
Здесь показано, как к транзистору структуры n-p-n подключен источник
питания, причем именно в такой полярности, как он подключается в
реальных устройствах к настоящим транзисторам. Но при таком
подключении получается, что через два p-n перехода (два потенциальных
барьера) ток не пройдет: как ни меняй полярность напряжения один из
переходов оказывается в запертом, непроводящем, состоянии. Описанное
выше включение транзистора с оборванной базой нигде в практических
схемах не применяется.

4.

Правильное включение транзистора
На рисунке показано как на базу относительно эмиттера подано некоторое
небольшое напряжение, причем в прямом направлении.
Под действием эмиттерного тока электроны устремятся в базу с
проводимостью p из эмиттера с проводимостью n. При этом часть электронов
заполнят дырки, находящиеся в области базы и через базовый вывод
протекает незначительный ток, - ток базы Iб.
Остальные электроны, которым не хватило дырок в тонкой базе,
устремляются в коллектор и будут извлечены оттуда более высоким
потенциалом коллекторной батареи Eк-э. Под этим воздействием электроны
преодолеют второй потенциальный барьер и через батарею вернутся в
эмиттер.

5.

Прогнозируемый результат
Таким образом, небольшое напряжение, приложенное к
переходу база – эмиттер, способствует открытию
перехода база – коллектор, смещенному в обратном
направлении. Собственно, в этом и заключается
транзисторный эффект: изменяя ток в цепи база –
эмиттер, мы можем управлять выходным током
коллектора. Причем незначительное изменение тока
базы
вызывает
значительное
изменение
тока
коллектора.

6.

Режим работы биполярного транзистора
Каждый переход биполярного транзистора можно
включить либо в прямом, либо в обратном направлении.
В зависимости от этого различают следующие четыре
режима работы транзистора:
Режим отсечки;
Активный режим;
Инверсный режим;
Режим насыщения.

7.

Режим отсечки
На оба перехода поданы обратные напряжения. Когда
напряжение между базой и эмиттером ниже, чем 0.6V 0.7V, то p-n переход между базой и эмиттером закрыт. В
таком состоянии у транзистора практически отсутствует
ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет,
поскольку в базе нет свободных электронов, готовых
двигаться в сторону напряжения на коллекторе.
Получается, что транзистор заперт, и говорят, что он
находится в режиме отсечки.

8.

Активный режим
На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а
на коллекторный переход – обратное. В активном режиме
на базу подано напряжение, достаточное для того чтобы pn переход между базой и эмиттером открылся. Возникают
токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току
базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е
активным режимом называют нормальный рабочий режим
транзистора, который используют для усиления.

9.

Инверсный режим
К коллекторному переходу подведено прямое
напряжение, а к эмиттерному — обратное.
Инверсный
режим
работы
приводит
к
значительному
уменьшению
коэффициента
передачи тока эмиттера по сравнению с работой
транзистора в нормальном режиме и поэтому на
практике применяется крайне редко.

10.

Режим насыщения
На оба перехода поданы прямые напряжения. Если увеличивать ток
базы, то может наступить такой момент, когда ток коллектора перестанет
увеличиваться, т.к. транзистор полностью откроется, и ток будет
определяться только напряжением источника питания и сопротивлением
нагрузки в цепи коллектора. Транзистор достигает режима насыщения. В
режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может
обеспечиваться источником питания при данном сопротивлении
нагрузки, и не будет зависеть от тока базы.
В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал,
поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы. В
режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше
подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен».
Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и
это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

11.

Схемы включения
Любая схема включения транзистора характеризуется
двумя основными показателями:
• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.
Различают следующие схемы включения транзистора:
Схема включения с общей базой
Схема включения с общим эмиттером
Схема с общим коллектором

12.

Схема включения с общей базой
Усилитель с общей базой среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим
входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент
усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по
напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.
Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом
для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом
представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
Достоинства
•Хорошие температурные и частотные свойства.
•Высокое допустимое напряжение.
Недостатки схемы с общей базой
•Малое усиление по току, так как α < 1
•Малое входное сопротивление
•Два разных источника напряжения для питания.

13.

Схема включения с общим эмиттером
Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
Достоинства
•Большой коэффициент усиления по току.
•Большой коэффициент усиления по напряжению.
•Наибольшее усиление мощности.
•Можно обойтись одним источником питания.
•Выходное переменное напряжение инвертируется
относительно входного.
Недостатки
•Худшие температурные и частотные свойства по
сравнению со схемой с общей базой.

14.

Схема включения с общим коллектором
Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1].
Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
•Большое входное сопротивление.
•Малое выходное сопротивление.
Недостатки
•Коэффициент усиления по напряжению
меньше 1.
•Схему с таким включением называют
«эмиттерным повторителем».