Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

• Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
• База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его
• Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe
также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер
способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит
через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент,
который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас».
Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные
10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на
контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву
и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит
из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав
кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive —
с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N.
PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется,
когда через неё идёт ток.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора 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 как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют 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.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, 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».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Практическое применение транзисторов

Ниже приведена схема, на которой микроконтроллер управляет зуммером (звуковым датчиком), потребляющим около 50 мА . Чаще всего с одного выхода на плате Arduino можно получить до 20 мА , поэтому прямое подключение зуммера может повредить плату. Использование транзистора, который действует как переключатель, позволяет безопасно управлять зуммером.

Управление зуммером с помощью транзистора

В этой схеме, через вывод микроконтроллера протекает только небольшой ток, порядка 0,8 мА, а питание зуммера осуществляется от транзистора. Состояние High на выходе платы Arduino включает звук.

Чтобы не вдаваться в детали расчета, можно предположить, что использование резистора 10 кОм позволяет, в таких случаях, управлять нагрузками, потребляющими не более 60 мА, а резистор 1 кОм подойдет в ситуациях, когда нагрузка потребляет до 500 мА, но тогда вам нужно будет использовать другой транзистор, например BC337 , который способен управлять таким током.

Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ

Исходные данные:

Питающее напряжение U_и.п.=12 В.

Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:

P_max=150 мВт; I_max=150 мА; h₂₁>50.

Принимаем R_к=10*R_э

Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U_бэ = 0,66 В

Решение:

1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.

P_рас.max=0,8*P_max

2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):

I_к0=P_рас.max/U_кэ0=P_рас.max/(U_и.п./2)

3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:

(R_к+R_э)=(U_и.п./2)/I_к0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.

Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R_к=10*R_э, находим значения резисторов :

R_к = 270 Ом; R_э = 27 Ом.

4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.

U_к0=(U_кэ0+ I_к0*R_э)=(U_и.п.— I_к0*R_к) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.

5. Определим ток базы управления транзистором:

I_б=I_к/h₂₁=[U_и.п./(R_к+R_э)]/h₂₁ = [12 В / (270 Ом + 27 Ом)] / 50 = 0,8 мА.

6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R_б1,R_б2. Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I_б, чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:

R_б1,R_б2: I_дел.=10*I_б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.

Тогда полное сопротивление резисторов

R_б1+R_б2=U_и.п./I_дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.

7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:

U_э=I_к0*R_э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,

где I_к0 — ток покоя транзистора.

8. Определяем напряжение на базе

U_б=U_э+U_бэ=0,54 В+0,66 В=1,2 В

Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:

R_б2= (R_б1+R_б2)*U_б/U_и.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.

По резисторному ряду , в связи с тем, что через резистор R_б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R_б1=1,3 кОм.

9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.

На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t_н=R_вх*C_вх, где R_вх=R_э*h₂₁, C_вх — разделительная входная емкость каскада. C_вых транзисторного каскада, это C_вх следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f_н=1/t_н. Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t_н=1/(R_вх*C_вх)<<f_н в 30-100 раз для всех каскадов. При этом чем больше каскадов, тем больше должна быть разница. Каждый каскад со своим конденсатором добавляет свой спад АЧХ. Обычно, достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ. Но последний каскад, через Cвых обычно нагружен низкоомным сопротивлением динамических головок, поэтому емкость увеличивают до 500,0-2000,0 мкФ, бывает и больше.

Спад АЧХ в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда tв=Rвых*Cк=RкCк, где Cк — паразитная емкость коллекторного перехода (указывается в справочниках). Для звуковых частот, емкость коллекторного перехода незначительна, поэтому паразитной ёмкостью можно пренебречь.

Проверка NPN-транзисторов на практике

Итак, теория позади. Пришло время проверить, как это работает на практике. О транзисторах можно очень много и долго рассказывать, но мы обсудим только их основные принципы работы. Мы начнем со схемы, которая будет использовать транзистор в качестве ключа, управляющего освещением светодиода. Таким образом, контролируя ток базы, мы сможем включать и выключать диод, подключенный к транзистору.

Для сборки схемы потребуются следующие комплектующие:

• Транзистор BC546B,
• Резисторы 1 кОм и 10 кОм,
• Светодиод,
• Аккумулятор 9 В с проводами,
• Макетная плата,
• Мультиметр.

Схема подключения представлена ​​ниже

На точки, обозначенные как амперметры и вольтметры, можете пока не обращать внимание. Вам просто нужно собрать схему таким образом, чтобы можно было щупами мультиметра прикоснуться к этим четырем отмеченным местам. Схема с NPN транзистором

Схема с NPN транзистором

Описание выводов транзистора следует проверять в его документации. Вы также можете использовать наши схемы, вам просто нужно помнить, что всегда лучше проверять описание контактов в примечании к каталогу на наличие новых элементов (не всегда все контакты расположены в одном порядке):

Описание выводов транзистора BC546 (слева вид снизу, т.е. со стороны выводов)

Эта схема может быть собрана на макетной плате, например, следующим образом:

Сборка схемы с транзистором

На практике это может выглядеть следующим образом. В результате этого подключения загорается светодиод, в этом нет ничего необычного, правда? Однако давайте проверим, что именно происходит в цепи.

После подключения АКБ загорается светодиод. Ток течет через базу (ограничивается резистором 10 кОм), что позволяет току протекать через коллектор последовательно с включенным диодом. Резистор (1 кОм) ограничивает ток, протекающий через этот диод, чтобы светодиод не сгорел. Если кабель от положительной шины питания к базе отсоединен, светодиод гаснет.

Если схема работает, на ней можно сделать несколько измерений. Сначала измеряем напряжения, показанные на диаграмме. Речь идет о напряжении между базой и эмиттером (так называемая база-эмиттер) и между коллектором и эмиттером (т.е. коллектор-эмиттер).

Измерение напряжения база-эмиттер	Измерение напряжения коллектор-эмиттер

Теперь пришло время для более интересного измерения, то есть измерения силы тока. Не забудьте переместить ручку мультиметра в правильное положение и проверить базовый ток (подключив мультиметр последовательно с резистором 10 кОм ), и ток коллектора (подключив мультиметр последовательно с резистором 1 кОм). Т.к. мы ожидаем небольших значений, значит устанавливаем диапазон 20 мА.

Измерение базового тока	Измерение тока коллектора

Стоит собрать результаты измерений в таблицу:

Интерпретация измерений: напряжение коллектор-эмиттер невелико, порядка нескольких десятков милливольт. Это означает, что транзистор вошел в состояние насыщения. Такое происходит, когда через коллектор протекает ток меньший, чем можно было бы судить по коэффициенту β . Давайте проверим, так ли это: согласно документации на этот транзистор, коэффициент находится в диапазоне от 200 до 450. Об этом свидетельствует буква B в конце маркировки, которая также есть на нашем транзисторе. Фрагмент документации:

Давайте проведем простой расчет: мы знаем ток базы, мы знаем коэффициент усиления по току. Так какой ток должен протекать через коллектор, чтобы он стал ненасыщенным? Преобразуем формулу β = I c / I B к следующему виду: I c = β * I B , затем подставляем в нее крайние значения коэффициента, т.е. 200 и 450. И вычисляем диапазон ожидаемого тока коллектора:

• минимум: I c1 = β * I B = 200 * 0,86 мА = 172 мА
• максимум: I c2 = β * I B = 450 * 0,86 мА = 387 мА

Между тем, через коллектор протекает всего 7 мА. Это потому, что он ограничен резистором 1 кОм. Если бы его не было, через коллектор мог бы протекать гораздо больший ток, но это привело бы к разрушению светодиода, транзистора и (возможно) к повреждению батареи.

Транзистор здесь работает как переключатель: включив базовый ток низкой интенсивности, мы можем включить поток более высокого тока через коллектор. В свою очередь, после отключения тока базы, почти сразу пропадает и коллекторный ток.

Когда ток течет через коллектор, транзистор считается открытым. Тогда напряжение на его основе примерно на 0,7 В выше, чем на эмиттере. В свою очередь, чтобы закрыть транзистор (то есть предотвратить протекание тока коллектора), напряжение база-эмиттер должно быть уменьшено (желательно до нуля).

Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и параметры

Биполярные транзисторы – электронные полупроводниковые приборы, отличающиеся от полевых способом переноса заряда.

В полевых (однополярных) транзисторах, используемых в основном в цифровых устройствах, заряд переносится или дырками, или электронами. В биполярных же в процессе участвуют и электроны, и дырки.

Биполярные транзисторы, как и другие типы транзисторов, в основном используются в качестве усилителей сигнала. Применяются в аналоговых устройствах.

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

• эмиттер;
• базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

• электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
• между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Режим отсечки

Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.

Режим насыщения

Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

• Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
• Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
• Максимальную рассеиваемую мощность.

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Устройство и принцип работы

Биполярный транзистор состоит из трёх чередующихся полупроводниковых зон с разной проводимостью. В зависимости того, как расположены эти зоны, существует два типа транзисторов: p-n-p (прямой проводимости) и n-p-n (обратной проводимости). К каждой из зон подключён свой вывод, выводы называются одинаково для обоих типов транзисторов: средний вывод — база, а по краям эмиттер и коллектор.

Устройство транзисторов p-n-p и n-p-n и обозначение на схемах

Как мы увидим в дальнейшем, в создании электрического тока внутри транзистора участвуют два вида зарядов: электроны и дырки. Отсюда и название «биполярный». Далее я буду писать просто «транзистор» для простоты изложения, но, нужно помнить, что существуют и униполярные (полевые) транзисторы, речь о которых пойдёт в отдельной статье.

Если вы знакомы с устройством полупроводникового диода, вы заметили, что транзистор, можно сказать, представляет собой два  диода, включенных навстречу друг другу, с одной общей зоной. Давайте для определённости возьмём p-n-p транзистор и подключим его следующим образом:

Подключение p-n-p транзистора

На переход база-эмиттер (эмиттерный переход) подано прямое напряжение, этот диод открыт и через него течёт ток. А вот на коллекторном переходе напряжение запирающее: на коллекторе «минус» относительно базы. Если бы это были два изолированных диода, то на этом бы дело и кончилось. Но! Поскольку зона n общая, тут вступает в силу закон диффузии. Часть дырок, поставляемых эмиттером, не рекомбинирует с электронами базы, а проникает в область коллекторного p-n перехода, и там захватывается мощным минусом «коллектора». В коллекторной цепи тоже появляется ток.

По описанию может показаться, что в коллектор попадает небольшая часть дырок. Но в реальности всё наоборот: только малая часть эмиттерного тока ответвляется в базу, рекомбинируя там с электронами. Большая же часть (грубо говоря,  больше 90%) дырок идут в коллектор и создают коллекторный ток. Это становится возможным потому, что рекомбинация — сравнительно долгий по времени процесс, и дырки успевают заполнить всю область базы и попасть под влияние потенциала коллектора.

При этом сильный коллекторный ток зависит от слабого базового. Ну а если на базу подать запирающее напряжение, «плюс» относительно эмиттера, то ток база-эмиттер вовсе прекратится, а следом исчезнет и коллекторный ток.

Кстати, теперь должны стать понятны названия выводов транзистора. Эмиттер — эмитирует, поставляет заряды (в нашем примере — дырки). Коллектор их собирает, стягивает своим мощным потенциалом. Ну а база так называется потому, что в первых точечных транзисторах она конструктивно была основой прибора. Сейчас точечные транзисторы уже не применяются, их вытеснили более технологичные плоскостные приборы, а название осталось.

Осталось отметить, что все приведённые выше рассуждения применимы и для n-p-n транзисторов, только нужно поменять знаки напряжений на обратные: транзистор n-p-n открывается «плюсом» на базе относительно эмиттера, ну а на коллекторе должен быть плюс относительно базы.

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

1. Активный.
2. Отсечки (РО).
3. Насыщения (РН).
4. Барьерный (РБ).

Активный режим БТ бывает нормальным (НАР) и инверсным (ИАР).

Нормальный активный режим

При этом режиме на переходе Э-Б протекает U, которое является прямым и называется напряжением Э-Б (Uэ-б). Режим считается оптимальным и используется в большинстве схем. Переход Э осуществляет инжекцию зарядов в базовую область, которые перемещаются к коллектору. Последний ускоряет заряды, создавая эффект усиления.

Инверсный активный режим

В этом режиме переход К-Б открыт. БТ работает в обратном направлении, т. е. из К идет инжекция дырочных носителей заряда, проходящих через Б. Они собираются переходом Э. Свойства ПП к усилению слабые, и редко БТ применяются в этом режиме.

Режим насыщения

При РН оба перехода открыты. При подключении Э-Б и К-Б к внешним источникам в прямом направлении БТ будет работать в РН. Диффузионное электромагнитное поле Э и К переходов ослабляется электрическим полем, которое создается внешними источниками. В результате этого произойдет уменьшение барьерной способности и ограничение диффузной способности основных носителей заряда. Начнется инжекция дырок из Э и К в Б. Этот режим применяется в основном в аналоговой технике, однако в некоторых случаях возможны исключения.

Режим отсечки

При этом режиме БТ закрывается полностью и не способен проводить ток. Однако в БТ присутствуют незначительные потоки неосновных носителей зарядов, создающих тепловые токи с малыми значениями. Применяется этот режим в различных видах защиты от перегрузок и коротких замыканий.

Барьерный режим

База БТ соединяется через резистор с К. В цепь К или Э включается резистор, который задает величину тока (I) через БТ. БР часто применяется в схемах, т. к. позволяет работать БТ на любой частоте и в большем диапазоне температур.

Конструктивные особенности транзистора

Из приведёных выше схематических рисунков не очень понятно, чем же эмиттер отличается от коллектора? В принципе, некоторые транзисторы будут работать, даже если при подключении перепутать эмиттер и коллектор местами. Но давайте взглянем на рисунок, более приближенный к реальной конструкции транзистора, а заодно разберёмся, почему он сделан так а не иначе.

Конструкция транзистора (схематично)

Вот несколько соображений на эту тему:

• Площадь коллекторного p-n перехода должна быть побольше, для более эффективного захвата зарядов.
• Коллекторная зона легируется слабо, то есть там сравнительно мало свободных зарядов на единицу объёма — это позволяет прикладывать к коллекторному переходу гораздо большее напряжение, чем к эмиттерному, без риска пробоя коллекторного перехода.
• Эмиттерная зона, наоборот, легируется сильнее, для более эффективной инжекции зарядов. Но это и делает эмиттерный переход более «нежным». Особенно он боится обратного (запирающего) напряжения: для p-n-p это плюс на базе относительно эмиттера. В некоторых схемах даже ставится специальная защита – обычно с помощью диода.
• В коллекторе меньше свободных зарядов, сопротивление его выше, к тому же коллекторный переход работает в режиме обратного смещения. Всё это приводит к тому, что на нём выделяется основное тепло. Это тоже аргумент в пользу того, чтобы коллекторная зона была побольше, для эффективного рассеивания тепловой энергии.
• К слову, база тоже легируется слабо. База должна быть тонкой по двум причинам. Во-первых, для более эффективной диффузии зарядов, инжектируемых эмиттером. Во-вторых, для большего быстродействия транзистора: чтобы коллекторный ток как можно быстрее реагировал на изменение базового. Но при этом сопротивление базы должно быть высокое, чтобы не было пробоев напрямую между коллектором и эмиттером.

Все эти меры позволяют «выжать» из транзистора максимальный коэффициент усиления. Это величина, которая показывает соотношение между коллекторным и базовым током. У различных транзисторов коэффициент может варьироваться от десятков до сотен и даже тысяч.

Два основных режима работы

Различают режимы работы с использованием “малого” и “большого” сигнала. В первом случае биполярный транзистор работает на маленьком участке своих характеристик и это используется в аналоговой технике. В таких случаях важна линейность усиления сигналов и малые шумы. Это линейный режим.

Во втором случае (ключевой режим), биполярный транзистор работает в полном диапазоне – от насыщения до отсечки, как ключ. Это значит, что если посмотреть на ВАХ p-n перехода – следует для полного запирания транзистора приложить между базой и эмиттером небольшое обратное напряжение, а для полного открывания, когда транзистор переходит в режим насыщения, немного увеличить базовый ток, по сравнению с малосигнальным режимом. Тогда транзистор работает как импульсный ключ. Этот режим используется в импульсных и силовых устройствах, применяется для импульсных источников питания. В таких случаях стараются добиться малого времени переключения транзисторов.

Для цифровой логики характерно промежуточное положение между “большим” и “малым” сигналами. Низкий логический уровень ограничивают 10% от напряжения питания, а высокий 90%. Время задержек и переключения стремятся уменьшить до предела. Такой режим работы является ключевым, но мощность здесь стремятся свести к минимальной. Любой логический элемент – это ключ.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0.

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.