ТРАНЗИСТОР- напівпровідниковий прилад для посилення, генерування і перетворення електричних коливань, виконаний на основі монокристалічного напівпровідника ( Si- кремнію, або gе- германію), що містить не менше трьох областей з різною - електронної ( n) І доречний ( p) - провідність. Винайдено в 1948 американцями У. Шоклі, У. Браттейном і Дж. Бардином. За фізичну структуру і механізму управління струмом розрізняють транзистори біполярні (частіше називають просто транзисторами) і уніполярні (частіше називають польовими транзисторами). У перших, що містять два, або більше електронно-доручених переходу, носіями заряду служать як електрони, так і дірки, по-друге - або електрони, або дірки. Термн «транзистор» нерідко використовують для позначення портативних радіомовних приймачів на напівпровідникових приладах.
Управління струмом у вихідному ланцюзі здійснюється за рахунок зміни вхідної напруги або струму. Невелика зміна вхідних величин може приводити до істотно більшої зміни вихідної напруги і струму. Це підсилююче властивість транзисторів використовується в аналоговій техніці (аналогові ТБ, радіо, зв'язок і т. П.).
У цій статті ми розглянемо біполярний транзистор
Біполярний транзистор може бути n-p-nі p-n-pпровідності. Чи не заглядаючи у нутрощі транзистора, можна відзначити різницю проводимостей лише в полярності підключення в практичних схемах джерел живлення, конденсаторів, діодів, які входять до складу цих схем. На малюнку праворуч графічно зображені n-p-nі p-n-pтранзистори.
У транзистора три висновки. Якщо розглядати транзистор як чотириполюсника, то у нього має бути два вхідних і два вихідних виведення. Отже, якийсь із висновків повинен бути загальним, як для вхідних, так і для вихідного кола.
Схеми включення транзистора
Схема включення транзистора з загальним емітером
- призначена для посилення амплітуди вхідного сигналу по напрузі і по струму. При цьому вхідний сигнал, посилюючись транзистором, інвертується. Іншими словами фаза вихідного сигналу повертається на 180 градусів. Ця схема, є основною, для посилення сигналів різної амплітуди і форми. Вхідний опір транзисторного каскаду з ОЕ буває від сотень Ом до одиниць килоом, а вихідний - від одиниць до десятків кіло.
Схема включення транзистора із загальним колектором- призначена для посилення амплітуди вхідного сигналу по струму. Посилення по напрузі в такій схемі не відбувається. Правильніше сказати, коефіцієнт посилення по напрузі навіть менше одиниці. Вхідний сигнал транзистори ми інвертується.
Вхідний опір транзисторного каскаду з ОК буває від десятків до сотень кіло, а вихідний в межах сотні ом - одиниць кіло. Завдяки тому, що в ланцюзі емітера знаходиться, як правило, навантажувальний резистор, схема має великим вхідним опором. Крім того, завдяки посиленню вхідного струму, вона має високу здатністю навантаження. Ці властивості схеми із загальним колектором використовуються для узгодження транзисторних каскадів - як "буферний каскад". Так як, вхідний сигнал, що не посилюючись по амплітуді "повторюється" на виході, схему включення транзистора із загальним колектором ще називають емітерний повторювач.
є ще Схема включення транзистора із загальною базою. Ця схема включення в теорії є, але в практиці вона реалізується дуже важко. Така схема включення використовується в високочастотної техніки. Особливість її в тому, що у неї низький вхідний опір, і узгодити такий каскад по входу складно. Досвід в електроніці у мене не малий, але кажучи про цю схему включення транзистора, я перепрошую, нічого не знаю! Пару раз використовував як "чужу" схему, але так і не розбирався. Поясню: за всіма фізичними законами транзистор управляється його базою, вірніше струмом, що протікає по шляху база-емітер. Використання вхідного виводу транзистора - бази на виході - неможливо. Насправді базу транзистора через конденсатор "садять" по високій частоті на корпус, а на виході її і не використовують. А гальванически, через високоомний резистор, базу пов'язують з виходом каскаду (подають зміщення). Але подавати зсув, по суті можна звідки завгодно, хоч від додаткового джерела. Все одно, що потрапляє на базу сигнал будь-якої форми гаситься через той же самий конденсатор. Щоб такий каскад працював, вхідний висновок - емітер через низькоомний резистор "садять" на корпус, звідси і низький вхідний опір. Загалом, схема включення транзистора із загальною базою - тема для теоретиків і експериментаторів. На практиці вона зустрічається вкрай рідко. За свою практику в конструюванні схем ніколи не стикався з необхідністю використання схеми включення транзистора із загальною базою. Пояснюється це властивостями цієї схеми включення: вхідний опір - від одиниць до десятків Ом, а вихідний опір - від сотень кіло до одиниць мега. Такі специфічні параметри - рідкісна потреба.
Біполярний транзистор може працювати в ключовому і лінійному (усилительном) режимах. Ключовий режим використовується в різних схемахуправління, логічних схемах і ін. В ключовому режимі, Транзистор може знаходитися в двох робочих станах - відкритому (насиченому) і закритому (замкненому) стані. Лінійний (підсилювальний) режим використовується в схемах посилення гармонійних сигналів і вимагає підтримки транзистора в «наполовину» відкритому, але не насиченому стані.
Для вивчення роботи транзистора, ми розглянемо схему включення транзистора із загальним емітером, як найбільш важливу схему включення.
Схема зображена на малюнку. на схемі VT- власне транзистор. резистори R б1і R б2- ланцюжок зміщення транзистора, що представляє собою звичайний дільник напруги. Саме цей ланцюг забезпечує зміщення транзистора в «робочу точку» в режимі посилення гармонійного сигналу без спотворень. резистор R до- навантажувальний резистор транзисторного каскаду, призначений для підведення до колектора транзистора електричного струму джерела живлення і його обмеження в режимі "відкритого" транзистора. резистор R е- резистор зворотнього зв'язку, По своїй суті збільшує вхідний опір каскаду, при цьому, зменшує посилення вхідного сигналу. Конденсатори С виконують функцію гальванічної розв'язки від впливу зовнішніх ланцюгів.
Щоб Вам було зрозуміліше, як працює біполярний транзистор, ми проведемо аналогію зі звичайним дільником напруги (див. Рис. Нижче). Для початку, резистор R 2подільника напруги зробимо керованим (змінним). Змінюючи опір цього резистора, від нуля до "нескінченно" великого значення, ми можемо отримати на виході такого дільника напруга від нуля до значення, що подається на його вхід. А тепер, уявімо собі, що резистор R 1подільника напруги - це колекторний резистор транзисторного каскаду, а резистор R 2подільника напруги - це перехід транзистора колектор-емітер. При цьому, подаючи на базу транзистора керуючий вплив у вигляді електричного струму, ми змінюємо опір переходу колектор-емітер, тим самим змінюємо параметри подільника напруги. Відмінність від змінного резистора в тому, що транзистор управляється слабким струмом. Саме так і працює біполярний транзистор. Вищевказане зображено на малюнку нижче: 
Для роботи транзистора в режимі посилення сигналу, без спотворення останнього, необхідно забезпечити цей самий робочий режим. Кажуть про усунення бази транзистора. Грамотні фахівці тішать себе правилом: Транзистор управляється струмом - це аксіома. Але режим зміщення транзистора встановлюється напругою база-емітер, а не струмом - це реальність. І у того, хто не враховує напруга зсуву, ніякої підсилювач працювати не буде. Тому в розрахунках його значення повинно враховуватися.
Отже, робота біполярного транзисторного каскаду в режимі посилення відбувається при певному напрузі зсуву на переході база-емітер. Для кремнієвого транзистора значення напруги зсуву лежить в межах 0,6 ... 0,7 вольт, для германієвого - 0,2 ... 0,3 вольта. Знаючи про це поняття, можна не тільки розраховувати транзисторні каскади, а й перевіряти справність будь-якого транзисторного підсилювального каскаду. Досить мультиметром з високим внутрішнім опором виміряти напругу зміщення база-емітер транзистора. Якщо воно не відповідає 0,6 ... 0,7 вольт для кремнію, або 0,2 ... 0,3 вольта для германію, тоді шукайте несправність саме тут - або несправний транзистор, або несправні ланцюга зміщення або розв'язки цього транзисторного каскаду.
Вищевказане, зображено на графіку - вольтамперної характеристиці (ВАХ). 
Більшість з "спеців", подивившись на представлену ВАХ скаже: Що за дурниця намальована на центральному графіку? Так вихідна характеристика транзистора не виглядає! Вона представлена на правому графіку! Відповім, там все правильно, а почалося це з електронно-вакуумних ламп. Раніше вольтамперної характеристикою лампи вважалося падіння напруги на анодном резистори. Зараз, продовжують вимірювати на колекторному резисторі, а на графіку приписують літери, які позначають падіння напруги на транзисторі, в чому глибоко помиляються. На лівому графіку I б - U бепредставлена вхідна характеристика транзистора. На центральному графіку I до - U кепредставлена вихідна вольтамперная характеристика транзистора. А на правому графіку I R - U Rпредставлений вольтамперная графік навантажувального резистора R до, Який зазвичай видають за вольтамперних характеристику самого транзистора.
На графіку має місце лінійна ділянка, використовуваний для лінійного посилення вхідного сигналу, обмежений точками Аі З. Середня точка - В, Є саме тією точкою, в якій необхідно утримувати транзистор, що працює в усилительном режимі. Цій точці відповідає певна напруга зсуву, яке при розрахунках зазвичай беруть: 0,66 вольт для транзистора з кремнію, або 0,26 вольт для транзистора з германію.
За вольтамперної характеристиці транзистора ми бачимо наступне: при відсутності, або малому напрузі зміщення на переході база-емітер транзистора, струм бази і струм колектора відсутні. У цей момент на переході колектор-емітер падає вся напруга джерела живлення. При подальшому підвищенні напруги зсуву база-емітер транзистора, транзистор починає відкриватися, з'являється струм бази і разом з ним росте струм колектора. При досягненні "робочої області" в точці З, Транзистор входить в лінійний режим, який триває до точки А. При цьому, падіння напруги на переході колектор-емітер зменшується, а на навантажувальними резисторами R до, Навпаки збільшується. Крапка В- робоча точка зміщення транзистора, - це така точка, при якій на переході колектор - емітер транзистора, як правило, встановлюється падіння напруги рівне рівно половині напруги джерела живлення. Відрізок АЧХ від точки З, До точки Аназивають робочою областю зміщення. після точки А, Струм бази і отже струм колектора різко зростають, транзистор повністю відкривається - входить в насичення. У цей момент, на переході колектор-емітер падає напруга обумовлене структурою n-p-nпереходів, яке приблизно дорівнює 0,2 ... 1 вольт, в залежності від типу транзистора. Все інше напруга джерела живлення падає на опорі навантаження транзистора - резистори R до., Який крім того, обмежує подальше зростання струму колектора.
За нижнім "додатковим" малюнків, ми бачимо, як змінюється напруга на виході транзистора в залежності від подається на вхід сигналу. Вихідна напруга(Падіння напруги на колекторі) транзистора противофазно (на 180 градусів) до вхідного сигналу.
Розрахунок транзисторного каскаду з загальним емітером (ОЕ)
Перш ніж перейти безпосередньо до розрахунку транзисторного каскаду, звернемо увагу на наступні вимоги та умови:
Розрахунок транзисторного каскаду проводять, як правило, з кінця (тобто з виходу);
Для розрахунку транзисторного каскаду потрібно визначити падіння напруги на переході колектор-емітер транзистора в режимі спокою (коли відсутній вхідний сигнал). Воно вибирається таким, щоб отримати максимально неспотворений сигнал. У однотактной схемою транзисторного каскаду працює в режимі "A" це, як правило, половина значення напруги джерела живлення;
У емітерний ланцюга транзистора біжить два струму - струм колектора (по шляху колектор-емітер) і струм бази (по шляху база-емітер), але так як струм бази досить малий, їм можна знехтувати і прийняти, що струм колектора дорівнює току емітера;
Транзистор - підсилювальний елемент, тому справедливо буде зауважити, що здатність його посилювати сигнали повинна виражатися якоюсь величиною. Величина посилення виражається показником, узятим з теорії чотириполюсників - коефіцієнт посилення струму бази в схемі включення з загальним емітером (ОЕ) і позначається він - h 21. Його значення наводиться в довідниках для конкретних типів транзисторів, причому, зазвичай в довідниках наводиться вилка (наприклад: 50 - 200). Для розрахунків зазвичай вибирають мінімальне значення (з прикладу вибираємо значення - 50);
коллекторное ( R до) І емітерний ( R е) Опору впливають на вхідний і вихідний опорутранзисторного каскаду. Можна вважати, що вхідний опір каскаду R вх = R е * h 21, А вихідна одно R вих = R до. Якщо Ви не важливо вхідний опір транзисторного каскаду, то можна обійтися зовсім без резистора R е;
номінали резисторів R доі R еобмежують струми, що протікають через транзистор і розсіюється на транзисторі потужність.
Порядок і приклад розрахунку транзисторного каскаду з ОЕ
Початкові дані:
напругу живлення U і.п.= 12 В.
Вибираємо транзистор, наприклад: Транзистор КТ315Г, для нього:
P max= 150 мВт; I max= 150 мА; h 21>50.
приймаємо R к = 10 * R е
напруга б-е робочоїточки транзистора приймаємо U бе= 0,66 В
Рішення:
1. Визначимо максимальне статичне потужність, яка буде розсіюватися на транзисторі в моменти проходження змінного сигналу, Через робочу точку В статичного режиму транзистора. Вона повинна становити значення, на 20 відсотків менше (коефіцієнт 0,8) максимальної потужності транзистора, зазначеної в довіднику.
приймаємо P рас.max = 0,8 * P max= 0,8 * 150 мВт = 120 мВт
2. Визначимо струм колектора в статичному режимі (без сигналу):
I К0 = P рас.max / U ке0 = P рас.max / (U і.п. / 2)= 120мВт / (12В / 2) = 20мА.
3.
З огляду на, що на транзисторі в статичному режимі (без сигналу) падає половина напруги живлення, друга половина напруги живлення буде падати на резисторах:
(R до + R е) = (U і.п. / 2) / I К0= (12В / 2) / 20мА = 6В / 20мА = 300 Ом.
З огляду на існуючий ряд номіналів резисторів, а також те, що нами вибрано співвідношення R к = 10 * R е, Знаходимо значення резисторів: R до= 270 Ом; R е= 27 Ом.
4. Знайдемо напругу на колекторі транзистора без сигналу. U до0 = (U ке0 + I К0 * R е) = (U і.п. - I К0 * R к)= (12 В - 0,02 а * 270 Ом) = 6,6 В.
5. Визначимо струм бази управління транзистором: I б = I к / h 21 = / h 21= / 50 = 0,8 мА.
6. Повний базовий струм визначається напругою зміщення на базі, яке задається подільником напруги R б1,R б2. Струм резистивного базового подільника повинен бути на багато більше (в 5-10 разів) струму управління бази I б, Щоб останній не впливав на напруга зсуву. Вибираємо струм дільника в 10 разів більшим струму управління бази: R б1,R б2: I справ. = 10 * I б= 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.
Тоді повний опір резисторів R б1 + R б2 = U і.п. / I справ.= 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.
7. Знайдемо напругу на емітер в режимі спокою (відсутності сигналу). При розрахунку транзисторного каскаду необхідно враховувати: напруга база-емітер робочого транзистора не може перевищити 0,7 вольта! Напруга на емітер в режимі без вхідного сигналу приблизно дорівнює: U е = I К0 * R е= 0,02 А * 27 Ом = 0,54 В,
де I к0- струм спокою транзистора.
8. Визначаємо напругу на базі U б = U е + U бе= 0,54 В + 0,66 В = 1,2 В
Звідси, через формулу подільника напруги знаходимо: R б2 = (R б1 + R б2) * U б / U і.п.= 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 Ом
R б1 = (R б1 + R б2) -R б2= 1500 Ом - 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.
За резисторного ряду, в зв'язку з тим, що через резистор R б1тече ще й струм бази, вибираємо резистор в сторону зменшення: R б1= 1,3 кОм.
9. Розділові конденсатори вибирають виходячи з необхідної амплітудно-частотної характеристики (смуги пропускання) каскаду. Для нормальної роботи транзисторних каскадів на частотах до 1000 Гц необхідно вибирати конденсатори номіналом не менше 5 мкФ.
На нижніх частотах амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) каскаду залежить від часу перезарядження розділових конденсаторів через інші елементи каскаду, в тому числі і елементи сусідніх каскадів. Ємність повинна бути такою, щоб конденсатори не встигали перезаряджати. Вхідний опір транзисторного каскаду багато більше вихідного опору. АЧХ каскаду в області нижніх частот визначається постійною часу t н = R вх * C вх, де R вх = R е * h 21, C вх- розділова вхідна ємність каскаду. C вихтранзисторного каскаду, це C вхнаступного каскаду і розраховується вона так само. Нижня частота зрізу каскаду (гранична частота зрізу АЧХ) f н = 1 / t н. Для якісного посилення, при конструюванні транзисторного каскаду необхідно вибирати, щоб співвідношення 1 / t н = 1 / (R вх * C вх)<
Розрахунок ключового режиму транзисторного каскаду проводиться абсолютно так само, як і раніше проведений розрахунок підсилювального каскаду. Відмінність полягає лише в тому, що ключовий режим передбачає два стану транзистора в режимі спокою (без сигналу). Він, або закритий (але не закорочен), або відкритий (але не перенасичений). При цьому, робочі точки "спокою", знаходяться за межами точок А і С зображених на ВАХ. Коли на схемі в стані без сигналу транзистор повинен бути закритий, необхідно з раніше зображеної схеми каскаду видалити резистор R б1. Якщо ж потрібно, щоб транзистор в стані спокою був відкритий, необхідно в схемі каскаду збільшити резистор R б2в 10 разів від розрахункового значення, а в окремих випадках, його можна видалити зі схеми.
Розрахунок транзисторного каскаду закінчено.
Схема включення транзистора із загальним емітером (ОЕ). При дослідженні властивостей зазвичай використовують схему включення транзистора із загальним емітером, тобто коли емітер підключений до "землі", колектор, через опір навантаження, підключений до джерела живлення, а на базу подається напруга зсуву. Зберемо схему, показану на малюнку:
У схемі використовується транзистор структури n-p-n, навантажувальний опір - 1 кОм, джерело живлення напругою 12 вольт і амперметр.
Ми бачимо, що амперметр показує дуже низьке значення струму що протікає через навантажувальний опір і перехід колектор - емітер транзистора. Цей струм називається струмом витоку n-p-n переходу.
За визначенням транзистора, малий струм бази управляє великим струмом в ланцюзі колектор - емітер (в схемі з ОЕ).
Для створення підсилювального каскаду за схемою з ОЕ, слід створити початковий струм бази, такий, щоб транзистор знаходився робочому режимі. У нашій схемі транзистор знаходиться в режимі відсічення (опір К - Е прагне до нескінченності). Другий крайній режим називається режимом насичення, тобто коли на базу надходить максимальний струм, який вже ніяк не впливає на струм проходить в ланцюзі К-Е (струм колектора). У цьому випадку говорять, що транзистор відкритий і колекторний струм визначається опором навантаження, а опір переходу К - Е можна прийняти рівним 0. Між двома цими точками, посередині знаходиться робочий струм (робоча точка) бази транзистора.
На практиці, для визначення робочого режиму транзистора використовують вимір не тока, а напруги на базі і на ділянці К-Е. Включення вольтметра не вимагає розірвання ланцюга.
Для визначення робочої точки слід зібрати схему, показану на малюнку:
Через резистор R1 подається напруга зсуву, яке створює струм бази. Опір R1, в процесі експерименту, ми будемо змінювати від 40 до 300 кОм, з кроком 20 ком. Вольтметром V1 будемо вимірювати напругу база - емітер, а вольтметром V2, напруга колектор - емітер.
Результати вимірювань краще заносити в таблицю, наприклад в Microsoft Excel або Open Office Calc.
За результатами вимірювань побудуємо графік для зміни напруги колектор - емітер (КЕ):
Ми бачимо, що при вимірах 1-2-3 напруга КЕ практично не змінюється і близько до 0. Цей режим називається режим насичення. У такому режимі каскад підсилювача буде працювати з сильними спотвореннями сигналу, так як посилення буде проводитися тільки негативних напівхвиль сигналу.
На ділянці 12-13-14, теж графік поступово набуває лінійну залежність, а напруга на колекторі практично не змінюється. В такий режим називається режимом відсічення. В цьому режимі посилення сигналу буде проводитися, так само з великими спотвореннями, так як посилюватися будуть тільки позитивні напівхвилі сигналу. Каскади з режимом відсічення використовуються в цифровій техніці як ключ з інверсією - логічний елемент "НІ".
Для вибору робочої точки транзистора як підсилювач слід розрахувати точку В на графіку. Для цього, слід напруга бази в точці А скласти з напругою бази в точці С і поділити навпіл (знайти середнє арифметичне. (820 + 793) / 2 = 806,5. Ми бачимо, що напруга бази 806,5 мВ, приблизно відповідає 6 -му виміру - 807 мВ. Ця напруга на базі транзистора і відповідає робочій точці каскаду з загальним емітером.
Підключимо до входу підсилювача генератор, а до входу і виходу осцилограф. Вхід з'єднаємо з каналом А, а вихід підсилювача з каналом В. Для розв'язки підсилювального каскаду по змінному струмі на вході каскаду встановимо конденсатори С1 і С1.
Приймемо частоту генератора 1000 Гц (1 кГц), а амплітуду сигналу 10 мВ. На осцилографі встановимо час розгортки 0,5 мілісекунд на розподіл, чутливість каналу А - 10 мілівольт на розподіл і чутливість каналу В - 1 вольт на поділ.
Далі слід включити харчування схеми і через 2 - 5 секунд вимкнути. Для зручного зчитування показань осцилографа, слід синусоїду вхідного сигналу опустити нижче осі Y (лічильником Y position), а синусоїду вихідного сигналу вище осі Y аналогічним чином. Ми бачимо, що вихідний сигнал перевернуть щодо вхідного на 180 градусів.
Розглянемо амплітудні значення вхідного і вихідного сигналів. Вхідний сигнал має амплітуду 10 мВ (таке значення ми встановили на генераторі), а вихідний сигнал вийшов з амплітудою в 1,5 вольта (3 ділення по осі Y / 2. Одне розподіл - 1 вольт). Ставлення вихідної напруги сигналу до вхідного називається коефіцієнтом посилення по напрузі транзистора в схемі із загальним емітером. Розрахуємо посилення нашого транзистора Ku = Uвх / U вих = 1,5 / 0,01 = 150. Тобто, каскад на транзисторі, включеному за схемою ОЕ, підсилює вхідний сигнал в 150 разів.
Для транзисторного каскаду з ОЕ справедливі наступні значення:
Ku - від 50 до 1500
Ki (коефіцієнт посилення струму) - 10-20
Kp (коефіцієнт посилення потужності) - 1000-10000
Rвх (вхідний опір) - 100 ом - 10 кому
Rвих (вихідний опір) - 100 ом - 100 кому
Каскад з ОЕ використовується, зазвичай, як підсилювач назко- і високочастотних сигналів.
Схема включення біполярного транзистора із загальним емітером наведена на малюнку 5.15:
Характеристики транзистора в цьому режимі будуть відрізнятися від характеристик в режимі із загальною базою. У транзисторі, включеному за схемою з загальним емітером, має місце посилення не тільки по напрузі, але і по току. Вхідними параметрами для схеми із загальним емітером будуть струм бази I б, і напруга на колекторі U до, а вихідними характеристиками будуть струм колектора I до і напруга на емітер U е.
Раніше при аналізі біполярного транзистора в схемі із загальною базою була отримана зв'язок між струмом колектора і струмом емітера в наступному вигляді:
У схемі з загальним емітером (відповідно до першого закону Кірхгофа).
після перегруповування сомножителей отримуємо:
(5.30)
Мал. 5.15. Схема включення транзистора із загальним емітером
Коефіцієнт α / (1-α) перед співмножником I б показує, як змінюється струм колектора I до при одиничному зміні струму бази I б. Він називається коефіцієнтом посилення по току біполярного транзистора в схемі із загальним емітером. Позначимо цей коефіцієнт значком β.
(5.31)Оскільки величина коефіцієнта передачі α близька до одиниці (α> 1). При значеннях коефіцієнта передачі α = 0,98 ÷ 0,99 коефіцієнт посилення буде лежати в діапазоні β = 50 ÷ 100.
З урахуванням (5.31), а також I К0 * = I К0 / (1-α) вираз (5.30) можна переписати у вигляді:
(5.32)
де I К0 * = (1 + β) I К0 - тепловий струм окремо взятого p-n переходу, який багато більше теплового струму колектора I К0, а величина r до визначається як r до * = r к / (1 + β).
Продифференцировав рівняння (5.32) по току бази I б, отримуємо β = ΔI к / ΔI б. Звідси випливає, що коефіцієнт посилення β показує, у скільки разів змінюється струм колектора I до при зміні струму бази I б.
Для характеристики величини β як функції параметрів біполярного транзистора згадаємо, що коефіцієнт передачі емітерного струму визначається як α = γ · κ, де. отже, 
. Для величини β було отримано значення: β = α / (1-α). Оскільки W / L 
(5.33)
На малюнку 5.16а наведені вольт-амперні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою з загальним емітером з струмом бази, як параметром кривих. Порівнюючи ці характеристики з аналогічними характеристиками для біполярного транзистора в схемі із загальною базою, можна бачити, що вони якісно подібні.
Проаналізуємо, чому малі зміни струму бази I б викликають значні зміни колекторного струму I к. Значення коефіцієнта β, істотно більше одиниці, означає, що коефіцієнт передачі α близький до одиниці. В цьому випадку колекторний струм близький до емітерного струму, а струм бази (по фізичній природі рекомбінаційний) істотно менше і колекторного і емітерного струму. При значенні коефіцієнта α = 0,99 з 100 дірок, інжектованих через емітерний перехід, 99 екстрагуються через колекторний перехід, і лише одна прорекомбінірует з електронами в базі і дасть внесок у базовий струм.
Мал. 5.16. Вольт-амперні характеристики біполярного транзистора КТ215В, включеного за схемою з загальним емітером:
а) вхідні характеристики; б) вихідні характеристики
Збільшення базового струму в два рази (повинні прорекомбініровать дві дірки) викличе в два рази більшу инжекцию через емітерний перехід (повинно інжектовані 200 дірок) і відповідно екстракцію через колекторний (екстрагується 198 дірок). Таким чином, мале зміна базового струму, наприклад, з 5 до 10 мкА, викликає великі зміни колекторного струму, відповідно з 500 мкА до 1000 мкА.
Схема включення біполярного транзистора із загальним емітером наведена на малюнку 5.15:
Характеристики транзистора в цьому режимі будуть відрізнятися від характеристик в режимі із загальною базою. У транзисторі, включеному за схемою з загальним емітером, має місце посилення не тільки по напрузі, але і по току. Вхідними параметрами для схеми із загальним емітером будуть струм бази I б, і напруга на колекторі U до, а вихідними характеристиками будуть струм колектора I до і напруга на емітер U е.
Раніше при аналізі біполярного транзистора в схемі із загальною базою була отримана зв'язок між струмом колектора і струмом емітера в наступному вигляді:
У схемі з загальним емітером (відповідно до першого закону Кірхгофа).
після перегруповування сомножителей отримуємо: (5.30)
Мал. 5.15. Схема включення транзистора із загальним емітером
Коефіцієнт α / (1-α) перед співмножником I б показує, як змінюється струм колектора I до при одиничному зміні струму бази I б. Він називається коефіцієнтом посилення по току біполярного транзистора в схемі із загальним емітером. Позначимо цей коефіцієнт значком β.
Оскільки величина коефіцієнта передачі α близька до одиниці (α< 1), то из уравнения (5.31) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β >> 1). При значеннях коефіцієнта передачі α = 0,98 ÷ 0,99 коефіцієнт посилення буде лежати в діапазоні β = 50 ÷ 100.
З урахуванням (5.31), а також I К0 * = I К0 / (1-α) вираз (5.30) можна переписати у вигляді:
(5.32)
де I К0 * = (1 + β) I К0 - тепловий струм окремо взятого p-n переходу, який багато більше теплового струму колектора I К0, а величина r до визначається як r до * = r к / (1 + β).
Продифференцировав рівняння (5.32) по току бази I б, отримуємо β = ΔI к / ΔI б. Звідси випливає, що коефіцієнт посилення β показує, у скільки разів змінюється струм колектора I до при зміні струму бази I б.
Для характеристики величини β як функції параметрів біполярного транзистора згадаємо, що коефіцієнт передачі емітерного струму визначається як α = γ · κ, де. отже, . Для величини β було отримано значення: β = α / (1-α). Оскільки W / L<< 1, а γ ≈ 1, получаем:
(5.33)
На малюнку 5.16а наведені вольт-амперні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою з загальним емітером з струмом бази, як параметром кривих. Порівнюючи ці характеристики з аналогічними характеристиками для біполярного транзистора в схемі із загальною базою, можна бачити, що вони якісно подібні.
Проаналізуємо, чому малі зміни струму бази I б викликають значні зміни колекторного струму I к. Значення коефіцієнта β, істотно більше одиниці, означає, що коефіцієнт передачі α близький до одиниці. В цьому випадку колекторний струм близький до емітерного струму, а струм бази (по фізичній природі рекомбінаційний) істотно менше і колекторного і емітерного струму. При значенні коефіцієнта α = 0,99 з 100 дірок, інжектованих через емітерний перехід, 99 екстрагуються через колекторний перехід, і лише одна прорекомбінірует з електронами в базі і дасть внесок у базовий струм.
Мал. 5.16. Вольт-амперні характеристики біполярного транзистора КТ215В, включеного за схемою з загальним емітером: а) вхідні характеристики; б) вихідні характеристики
Збільшення базового струму в два рази (повинні прорекомбініровать дві дірки) викличе в два рази більшу инжекцию через емітерний перехід (повинно інжектовані 200 дірок) і відповідно екстракцію через колекторний (екстрагується 198 дірок). Таким чином, мале зміна базового струму, наприклад, з 5 до 10 мкА, викликає великі зміни колекторного струму, відповідно з 500 мкА до 1000 мкА.
Сторінка 1 з 2
Пристрій і принцип дії біполярного транзистора
Біполярний транзистор являє собою напівпровідниковий прилад, що має два електронно-доручених переходу, освічених в одному монокристалі напівпровідника. Ці переходи утворюють в напівпровіднику три області з різними типами електропровідності. Одна крайня область називається емітером (Е), інша - колектором (К), середня - базою (Б). До кожної області припаюють металеві висновки для включення транзистора в електричний ланцюг.
Електропровідність емітера і колектора протилежна електропровідності бази. Залежно від порядку чергування р- і n-областей розрізняють транзистори зі структурою р-n-р і n-р-n. Умовні графічні позначення транзисторів р-n-р і n-р-n відрізняються лише напрямком стрілки у електрода, що позначає емітер.
Принцип роботи транзисторів р-n-р і n-р-n однаковий, тому в подальшому будемо розглядати лише роботу транзистора зі структурою р-n-р.
Електронно-дірковий перехід, утворений емітером і базою, називається емітерним, а колектором і базою - колекторним. Відстань між переходами дуже мало: у високочастотних транзисторів воно менше 10 мікрометрів (1 мкм = 0,001 мм), а у низькочастотних не перевищує 50 мкм.
При роботі транзистора на його переходи надходять зовнішні напруги від джерела живлення. Залежно від полярності цих напруг кожен перехід може бути включений як в прямому, так і в зворотному напрямку. Розрізняють три режими роботи транзистора: 1) режим відсічення - обидва переходу і, відповідно, транзистор повністю закриті; 2) режим насичення - транзистор повністю відкритий; 3) активний режим - це режим, проміжний між двома першими. Режими відсічення і насичення спільно застосовуються в ключових каскадах, коли транзистор поперемінно то повністю відкритий, то повністю замкнений з частотою імпульсів, що надходять на його базу. Каскади, що працюють в ключовому режимі, застосовуються в імпульсних схемах (імпульсні блоки живлення, вихідні каскади малої розгорнення телевізорів і ін.). Частково в режимі відсічення можуть працювати вихідні каскади підсилювачів потужності.
Найбільш часто транзистори застосовуються в активному режимі. Такий режим визначається подачею на базу транзистора напруги невеликої величини, яке називається напругою зміщення (U см.) Транзистор відкривається і через його переходи починає текти струм. Принцип роботи транзистора заснований на тому, що відносно невеликий струм, поточний через емітерний перехід (струм бази), управляє струмом більшої величини в ланцюзі колектора. Струм емітера є сумою струмів бази і колектора.
Режими роботи біполярного транзистора
режим відсіченнятранзистора виходить тоді, коли емітерний і колекторний р-n-переходи підключені до зовнішніх джерел в зворотному напрямку. У цьому випадку через обидва р-n-переходу протікають дуже малі зворотні струми емітера ( I Ебо) І колектора ( I КБО). Струм бази дорівнює сумі цих струмів і в залежності від типу транзистора знаходиться в межах від одиниць мікроампер - мкА (у кремнієвих транзисторів) до одиниць міліампер - мА (у германієвих транзисторів).
Якщо емітерний і колекторний р-n-переходи підключити до зовнішніх джерел в прямому напрямку, транзистор буде знаходитися в режимі насичення . Дифузійне електричне поле емітерного і колекторного переходів буде частково послаблюватися електричним полем, створюваним зовнішніми джерелами U ЕБі U КБ. В результаті зменшиться потенційний бар'єр, що обмежував дифузію основних носіїв заряду, і почнеться проникнення (інжекція) дірок з емітера і колектора в базу, тобто через емітер і колектор транзистора потечуть струми, звані струмами насичення емітера ( I Е.нас) І колектора ( I К.нас).
Для посилення сигналів застосовується активний режим роботи транзистора
.
При роботі транзистора в активному режимі його емітерний перехід включається в прямому, а колекторний - у зворотному напрямках.
Під дією прямого напруги UЕБ відбувається інжекція дірок з емітера в базу. Потрапивши в базу n-типу, дірки стають в ній неосновними носіями заряду і під дією сил дифузії рухаються (дифундують) до колекторного р-n-переходу. Частина дірок в базі заповнюється (рекомбинирует) наявними в ній вільними електронами. Однак ширина бази невелика - від кількох одиниць до 10 мкм. Тому основна частина дірок досягає колекторного р-n-переходу і його електричним полем перекидається в колектор. Очевидно, що струм колектора IКp не може бути більше струму емітера, так як частина дірок рекомбінує в базі. Тому I Kp = h 21Б Iе
величина h 21Бназивається статичним коефіцієнтом передачі струму емітера. Для сучасних транзисторів h 21Б= 0,90 ... 0,998. Так як колекторний перехід включений в зворотному напрямку (часто говорять - зміщений у зворотному напрямку), через нього протікає також зворотний струм I КБО, Утворений неосновними носіями бази (дірками) і колектора (електронами). Тому повний струм колектора транзистора, включеного за схемою із загальною базою
Iдо =
h 21Б Iе + IКБО
Дірки, що не дійшли до колекторного переходу і прорекомбініровавшіе (заповнити) в базі, повідомляють їй позитивний заряд. Для відновлення електричної нейтральності бази в неї із зовнішнього ланцюга надходить така ж кількість електронів. Рух електронів із зовнішнього ланцюга в базу створює в ній рекомбінаційний ток I Б.рек.Крім рекомбінаційного через базу протікає зворотний струм колектора в протилежному напрямку і повний струм бази
I Б = I Б.рек - I КБО
В активному режимі ток бази в десятки і сотні разів менше струму колектора і струму емітера.
Схеми включення біполярного транзистора
У попередній схемі електричний ланцюг, утворена джерелом U ЕБ, Емітером і базою транзистора, називається вхідний, а ланцюг, утворена джерелом U КБ, Колектором і базою цього ж транзистора, - вихідний. База є загальним електродом транзистора для вхідний і вихідний ланцюгів, тому таке його включення називають схемою зі спільною базою, або скорочено «Схемою ПРО».
На наступному малюнку зображено схема, в якій загальним електродом для вхідний і вихідний ланцюгів є емітер. Це схема включення з загальним емітером, або скорочено «Схема ОЕ».
K I- коефіцієнт посилення по току
K U- коефіцієнт посилення по напрузі
K P- коефіцієнт посилення за проектною потужністю
Попередня сторінка - Наступна сторінка