Біполярні транзистори - це напівпровідникові прилади з двома взаємодіючими pn - переходами, утвореними в кристалі напівпровідника, та трьома виводами. Назва приладу "біполярний'' зумовлена тям, що робота транзистора базується на використанні носіїв зарядів обох знаків (електронів та дірок).
Структура біполярного транзистора складається з трьох областей електронної та діркової провідності, які чергуються. Залежно від послідовності розташування цих областей розрізняють біполярні транзистори типу npn та типу pnp (рис. 1).
Одна з крайніх областей транзистора називається емітером, середня область - базою, а друга крайня область - колектором pn-перехід з боку емітера називають емітерним переходом, а з боку колектора - колекторним.
Емітер, база та колектор відрізняються типом електропровідності, концентрацією носіїв зарядів та розмірами. В емітері концентрація носіїв зарядів е найбільшою, в базі - найменшою. Емітерний перехід має значно меншу площу поперечного перерізу ніж колекторний. Ширина базової області складає одиниці мікрометрів.
Режими роботи транзистора. Емітерний та колекторний переходи транзистора в залежності від прикладених до них напруг можна зміщувати як в прямому, так і в зворотному напрямах. Залежно від напрямів вмикання pn-переходів розрізняють такі режими роботи транзистора:
1) нормальний активний режим - емітерннй перехід зміщений прямо, а колекторний у зворотному напрямі;
2) режим відтину - оба переходи транзистора зміщені у зворотному напрямі;
3) режим насичення - оба переходи транзистора зміщені у прямому напрямі;
4) інверсний активний режим - колекторний перехід зміщений прямо, а емітерний - у зворотному напрямі.
Основним режимом роботи біполярного транзистора є нормальний активний режим. В цьому режимі транзистор успішно виконує функції керованого активного елемента, тобто може здійснювати підсилення, генерування та перетворення електричних сигналів.
На рис.2 подані схемні позначення біполярних транзисторів та вказані полярності зовнішніх напруг, які забезпечують нормальний активний режим роботи транзисторів, а також показані додатні напрями струмів через їх зовнішні виводи. Зауважимо, що в нормальному активному режимі абсолютне значення напруги UКЕ має бути більшим від значення напруги UБE.
Принцип роботи. Із структури транзисторів (рис.1) видно, що по суті вони представляють собою два напівпровідникові діоди, які мають спільну область (базу), через яку взаємодіють.
В нормальному активному режимі залежність струму від напруги на емітерному переході подібна до залежності струму від напруги звичайного діода, зміщеного прямо, а залежність струму від напруги на колекторному переході аналогічна залежності струму від напруги зворотно зміщеного діода. Однак наявність спільної базової області, спричинює те, що через неї емітерний та колекторний переходи взаємно впливають на роботу один одного. Розглянемо це на прикладі транзистора типу npn. До пояснення принципу роботи біполярного транзистора (типу npn)
При нульовій напрузі на емітерному переході (UБЕ=O) через колекторний перехід, який зміщений у зворотному напрямі, протікає лише тепловий струм ІКБО
При прикладенні до емітерного переходу прямої напруги, його потенціальний бар'єр понизиться і через нього потече струм IЕ внаслідок інжекції електронів з емітера в базу та дірок з бази в емітер. Оскільки концентрація дірок в базі є нижчою ніж концентрація електронів в емітері, то процесом інжекції дірок можна знехтувати. Ширина бази в біполярних транзисторах є достатньо мала, так що інжектовані електрони досягають колекторного переходу, не встигаючи рекомбінувати з дірками бази. Лише невелика частина (менше ніж 1%) електронів рекомбінує в базі, в результаті чого виникає струн бази ІБ, який в порівняння з іншими. струмами транзистора є незначним. Підійшовши до колекторного переходу, електрони попадають під вплив сильного електричного поля зворотно зміщеного колекторного переходу, яке для них є прискорювальним. Тому вони втягуються в колекторний перехід і переходять в колекторну область. Відбувається так звана екстракція носіїв зарядів в колектор. Внаслідок цього колекторний струм ІК збільшиться на величину ІК, спричинену електронами, які прийшли в колекторну область. Значення цього струму буде дещо меншим від струму емітера, оскільки невелика частина електронів рекомбінувала в базі, тобто:
ІК=?*ІЕ (1)
де ? - деякий коефіцієнт пропорційності, менший від одиниці (?=0,990... 0,999), який називають статичним коефіцієнтом передавання емітерного струму транзистора.
Отже, сумарний струм колектора дорівнюватиме
іК=іКБО+?*іЕ (2)
При великих емітерних струмах транзистора, яри яких ІКБО<<Iе, наближено приймають:
ІK=?*ІЕ (3)
Оскільки потік електронів, що рухаються з емітера в колектор, та відповідно емітерний струм в базі розгалужуються на дві частини, то можна записати, що
IЕ=ІК+ІБ. (4)
Часто замість коефіцієнта ? використовують коефіцієнт ?, який показує у скільки разів струм колектора більший від струму бази:
?=ІК/ІБ=?ІЕ/(ІЕ - ІК)=?ІЕ/(1 - ?)ІЕ=?/(1 - ?). (5)
Значення коефіцієнта для промислових взірцю транзисторів лежить в межах 50...300. Його називають статичним коефіцієнтом підсилення струму бази транзистора.
Якщо ж пряму напругу емітерного переходу збільшувати, то відповідно зростатиме колекторний струм, тобто пряма напруга емітерного переходу при нормальному активному режимі роботи транзистора керує струмом колектора. Власне на цьому ефекті базується підсилення електричних коливань з допомогою транзисторів.
При прикладенні до обох переходів транзистора зворотної напруги (режим відтину) через виводи транзистора протікатимуть лише незначні зворотні струми pn-переходів. близькі до нуля. Транзистор в цьому випадку рахується закритим.
При прикладенні до обох переходів прямих напруг наступає режим насичення, в якому виникне процес інжекції електронів з колектора в базу, який буде спрямований назустріч потоку електронів, що рухаються з емітера. В результаті сумарний струм колектора понизиться а струм бази навпаки - зросте.
Статичні вольт-амперні характеристики. Із викладеного вище випливає, що зовнішні струми біполярного транзистора взаємозв'язані співвідношенням (4). а напруги між зовнішніми виводами , як бачимо з рис. 2, задовольняють умову:
UКЕ=UБЕ+UКЕ (6)
Розглядаючи біполярний транзистор як триполюсник, можемо стверджувати, що режим роботи транзистора повністю визначають дві будь-які напруги між його зовнішніми виводами та два будь-яких струми що течуть через його зовнішні виводи. Звідси висновок: статичні ВАХ транзистора мають описувати взаємозв'язок між двома довільними напругами між його зовнішніми виводами та двома довільними струмами через його зовнішні виводи.
Із трьох зовнішніх напруг uke , UБE, UКБ та трьох зовнішніх струмів ІЕ, ІК, ІБ можна вибрати такі три пари:
а) для напруг: (UБE,UКЕ); (UБE, UКЕ ); (UКБ,UКЕ);
б) для струмів: (ІЕ, ІК), (іб, ІК); (ІБ,IЕ).
Отже, оскільки для кожної пари напруг можна вибрати три різні пари струмів, то існує 9 можливих варіантів статичних ВАХ біполярних транзисторів. Звичайно у довідковій літературі подають такі варіант ВАХ, які найзручніше отримувати експериментально. Такими ВАХ є ті, що описують взаємозв'язок між парою напруг (UБE , UКЕ) та парою струмів (іБ, ІК)- Їх часто називають характеристиками транзистора для схеми з спільним емітером, оскільки при експериментальному знятті ВАХ використовують схему, де емітер є спільним для базового та колекторного кіл (рис. 4, б).
Графічно ВАХ подають у вигляді двох сімей характеристик, типовий вигляд яких для транзистора тилу npn зображено на рис.5. Характеристики, зображені на рис.5,а, називають вхідними, а зображені на рис.5,6 - вихідними, оскільки вхідну керуючу напругу прикладають між базою та емітером, а колекторний струм е вихідним струмом транзистора.
Кожна вхідна статична ВАХ транзистора відображає залежність вхідного (базового) струму іБ від вхідної напруги uБЕ при деякому фіксованому значенні Напруги UKE, Тобто ІБ=F(UБЕ) при UKE=const. При збільшенні напруги колектора uКЕ вхідні характеристики зміщуються вправо внаслідок того, що зміщений у зворотному напрямі колекторний перехід розширюється, а базова область звужується і кількість носіїв зарядів, що рекомбінують в базі та відповідно струм бази зменшуються. Проте вплив напруга UКЕ на струм ІБ є незначним тому вхідні характеристики розміщені на графіку дуже щільно, особливо при великих колекторних напругах. Тому ці характеристики часто подають в довідниках у вигляді лише однієї усередненої характеристики.
Кожна вихідна ВАХ транзистора відображає залежність вихідного (колекторного) струму ІК від напруги UКE при деякому фіксованому значенні базового струму ІБ , тобто ІК=fвих(UКЕ) при ІБ= const. В загальному характер цих залежностей аналогічний характеру зворотної гілки ВАХ діода, так як; більша частина напруги UКЕ подає на колекторному переході і зміщує його у зворотному напрямі. Однак їх хід суттєво залежить від, базового струму та від колекторної напруги. При збільшенні струму IБ вихідні характеристики зміщуються вверх, а при фіксованому значенні базового струму колекторний струм ІК- із збільшенням напруги UБЕ дещо зростає, що випливає а описаного раніше принципу дії транзистора. При великих напругах uКЕ наступає пробій транзистора, який спричинює різке зростання колекторного струму.
Зауважимо, що ВАХ транзистора також суттєво залежать від температури: із збільшенням температури вхідні характеристики транзистора зміщуються вліво, а вихідні вверх, що еквівалентно збільшенню струмів транзистора при незмінних напругах.