Биполярный транзистор (БТ) представляет собой небольшое по размерам полупроводниковое устройство управляемое током. Последний регулируется на определенном участке электрической цепи в соответствии со схемой включения. Сегодня указанное изделие, безусловно, можно назвать одним из основных компонентов в мире микроэлектроники. Практически любое современное оборудование содержит его в своём составе.
Типы
Сердцем любого БТ является кристалл, состоящий из полупроводника с двумя областями проводимости: дырочная (P) и электронная (N). Они создаются при производстве устройства в процессе легирования полупроводникового материала путем добавления небольшого количества примесей других химических элементов. Границы слияния разных областей проводимости образуют «переходы».
По параметрам, принципу работы и структуре все транзисторы можно разделить на два основных типа: полевые (ПТ) и биполярные (БТ). Для обработки цифровой информации в большинстве случаев применяют ПТ. БТ используют в основном для управления аналоговыми сигналами. В данной статье будут рассмотрены последние.
Структура
Внутреннюю структуру БТ упрощенно можно представить двумя диодами, объединенными друг с другом одной общей областью проводимости. От каждой из областей выведен отдельный металлический вывод, по другому называемый «электрод» транзистора. Всего у рассматриваемого полупроводникового устройства их три.
Каждый из электродов БТ имеет свое уникальное предназначение и соответствующее название: эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К).
По видам БТ подразделяют на устройства с прямой проводимостью (PNP) и обратной (NPN). Перенос заряда в них может осуществляться двумя типами носителей: дырками или электронами. Данная особенность определяет их общепринятое наименование – «биполярные транзисторы».
В качестве основных носителей у БТ с PNP-структурой используются положительно заряженные частицы полупроводника. В NPN-структуре для этих целей применяются электроны. В условном обозначении данных транзисторов стрелками представлено направление движения эмиттерного тока, получаемого с помощью указанных электронных частиц.
Классификация
В электронике БТ используют чаще всего в качестве усилителей или коммутаторов полезного сигнала. По скорости переключения их можно классифицировать на: низкочастотные (до 3 МГц); среднечастотные (3-30 МГц); высокочастотные (30-300 МГц); сверхвысокочастотные (более 300 МГц). По способности выдерживать большие напряжения и токи: маломощные (до 300 мВт), средней (от 300 до 1500 мВт) и большой мощности (свыше 1.5 Вт).
Небольшой участок полупроводника соединяющий место эмиттера и базы именуется эмиттерным переходом, а между базой и коллектором называется – коллекторным. Исходя из режима работы БТ эти переходы могут быть как в закрытом состоянии, так и в открытом.
Режимы работы
БТ способен функционировать в следующих режимах работы: насыщения; отсечки; инверсном; активном. Активный режим функционирования является наиболее предпочтительным, именно он применяется для усиления слабого полезного сигнала. В таком состоянии эмиттерный переход открывается, а коллекторный наоборот – закрывается.
В отличии от активного режима, в инверсном роль переходов меняется местами. Соответственно эмиттерный переход находится в запертом положении, а коллекторный в открытом.
В режиме отсечки два перехода закрыты. В состоянии насыщения ситуация меняется на противоположную, оба перехода – открыты.
Схемы включения
Схема включения БТ во многом определяется его внутренней архитектурой. Для подключения БТ с NPN-структурой используется одна полярность напряжения, а БТ с PNP-структурой — другая. Таким образом направление движения тока на участках цепи у данных устройств, различающихся между собой внутренней конструкцией, будет противоположной.
Для упрощенного понимания принципа функционирования БТ в электрических схемах, его можно представить в виде устройства с двумя входами и выходами (или четырехполюсника). При таком подключении один из электродов используется в качестве общего. На изображении ниже показаны три схемы подключения транзистора для активного режима работы.
Символы в условном наименовании токов соответствую металлическим выводам БТ, через которые они протекают. Стрелками показано направление движения электронов. Для обозначения напряжения между электродами две буквы. При этом, вторая буква для ОБ и ОЭ, указывает на общий (совместно используемый) контакт.
Схема с общей базой
В классической схеме с общей базой (ОБ) цепь эмиттера применяется в качестве входа, соответственно цепь коллектора используется как выход. Для обеспечения работы БТ, при таком включении в активном режиме, полярности напряжений, подаваемые на электроды, должны быть противоположными: UКБ>0, UЭБ<0. Так обеспечивается открытое состояние у эмиттерного перехода и закрытое у коллекторного.
В схеме c ОБ происходит инжекция электронов, являющихся основными переносчиками заряда в эмиттере в базу. Достигнув P-области, они становятся неосновными и рекомбинируются с дырками, далее не встречая каких-либо значительных преград попадают в коллектор. Указанный поток, образующий во внешних цепях БТ токи IЭ и IК, при помощи входного напряжения UЭБ, никак не зависит от значения UКБ на выходе.
Необходимо отметить, что эффективность управления течением электронов и соответственно IК, в схеме подключения с ОБ, целиком и полностью определяется входным напряжением UЭБ. Чем больше UЭБ, тем выше значение IК и наоборот. В этом и состоит основной принцип работы БТ, который позволяет применить его в выходных каскадах для усиления полезного сигнала по напряжению.
Для построения простого усилительного каскада в цепь эмиттера необходимо добавить небольшой источник слабого переменного сигнала. В цепь коллектора надо установить полезную нагрузку. При функционировании БТ, величина выходного напряжения в нагрузке будет во много раз больше входного, таким образом обеспечивая эффект усиления.
