Биполярный транзистор

Определение BJT

Биполярный транзистор (также известный как BJT или биполярный транзистор) — это трехвыводное полупроводниковое устройство, состоящее из двух p-n переходов, способных усиливать или увеличивать сигнал. Это устройство, управляемое током. Три вывода BJT — это база, коллектор и эмиттер. BJT — это тип транзистора, который использует электроны и дырки в качестве носителей заряда.

Сигнал малой амплитуды, поданный на базу, доступен в усилительной форме на коллекторе транзистора. Это усиление, предоставляемое BJT. Обратите внимание, что для выполнения процесса усиления требуется внешний источник питания постоянного тока.

Существует два типа биполярных транзисторов — транзисторы NPN и PNP. Диаграмма этих двух типов биполярных транзисторов приведена ниже.

Из приведенной выше фигуры видно, что каждый BJT имеет три части: эмиттер, база и коллектор. JE и JC обозначают соответственно переход эмиттера и переход коллектора. На данном этапе нам достаточно знать, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переходы коллектор-база смещены в обратном направлении. В следующей теме будут описаны эти два типа транзисторов.

NPN Биполярный транзистор

В n-p-n биполярном транзисторе (или npn транзисторе) один p-тип полупроводника находится между двумя n-типами полупроводников. На диаграмме ниже показан n-p-n транзистор. Теперь IE, IC — это ток эмиттера и ток коллектора соответственно, а VEB и VCB — это напряжение эмиттер-база и напряжение коллектор-база соответственно. Согласно соглашению, если для эмиттера, базы и коллектора токи IE, IB и IC входят в транзистор, знак тока принимается положительным, а если ток выходит из транзистора, то знак принимается отрицательным. Мы можем составить таблицу различных токов и напряжений внутри n-p-n транзистора.

PNP Биполярный транзистор

Аналогично, для p-n-p биполярного транзистора (или pnp транзистора) n-тип полупроводника находится между двумя p-типами полупроводников. Диаграмма p-n-p транзистора показана ниже.

Для p-n-p транзисторов ток входит в транзистор через вывод эмиттера. Как и любой биполярный транзистор, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении. Мы также можем составить таблицу токов эмиттера, базы и коллектора, а также напряжений эмиттер-база, коллектор-база и коллектор-эмиттер для p-n-p транзисторов.

Принцип работы BJT

На рисунке показан n-p-n транзистор, смещенный в активной области (см. смещение транзистора), переход BE смещен в прямом направлении, тогда как переход CB смещен в обратном направлении. Ширина зоны обеднения перехода BE меньше, чем ширина зоны обеднения перехода CB.

Прямое смещение на переходе BE снижает потенциальный барьер, позволяя электронам течь от эмиттера к базе. Поскольку база тонкая и слабо легированная, она имеет очень мало дырок. Около 2% электронов от эмиттера рекомбинируют с дырками в базе и выходят через вывод базы.

Это составляет ток базы, он течет за счет рекомбинации электронов и дырок (обратите внимание, что направление условного тока противоположно направлению тока электронов). Оставшееся большое количество электронов пересекает обратно смещенный переход коллектора, образуя ток коллектора. Таким образом, по закону Кирхгофа,

Ток базы намного меньше, чем ток эмиттера и ток коллектора.

Здесь большинство носителей заряда — электроны. Работа p-n-p транзистора такая же, как и n-p-n, единственная разница в том, что основные носители заряда — дырки, а не электроны. Только небольшая часть тока течет за счет основных носителей, а большая часть тока течет за счет незначительных носителей заряда в BJT. Поэтому их называют устройствами с незначительными носителями заряда.

Эквивалентная схема BJT

p-n переход представлен диодом. Поскольку транзистор имеет два p-n перехода, он эквивалентен двум диодам, соединенным последовательно. Это называется двухдиодной аналогией BJT.

Характеристики биполярных транзисторов

Три части BJT — это коллектор, эмиттер и база. Прежде чем узнать о характеристиках биполярного транзистора, нужно знать о режимах работы этого типа транзисторов. Режимы следующие:

• Режим с общей базой (CB)

• Режим с общим эмиттером (CE)

• Режим с общим коллектором (CC)

Все три типа режимов показаны ниже.

Переходя к характеристикам BJT, есть различные характеристики для различных режимов работы. Характеристики — это графические формы отношений между различными токами и напряжениями транзистора. Характеристики для p-n-p транзисторов даны для различных режимов и параметров.

Характеристики с общей базой

Входные характеристики

Для p-n-p транзистора входной ток — это ток эмиттера (IE), а входное напряжение — это напряжение коллектор-база (VCB).

Поскольку переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, график IE против VEB похож на прямые характеристики p-n диода. IE увеличивается при фиксированном VEB, когда VCB увеличивается.

Выходные характеристики

Выходные характеристики показывают отношение между выходным напряжением и выходным током. IC — это выходной ток, а напряжение коллектор-база и ток эмиттера IE — это входной ток, который служит параметром. На рисунке ниже показаны выходные характеристики для p-n-p транзистора в режиме CB.

Как мы знаем, для p-n-p транзисторов IE и VEB положительны, а IC, IB, VCB отрицательны. На кривой есть три области: активная область, область насыщения и область отсечки. Активная область — это область, где транзистор работает нормально.

Здесь переход эмиттер-база смещен в обратном направлении. Теперь область насыщения — это область, где оба перехода эмиттер-коллектор смещены в прямом направлении. И, наконец, область отсечки — это область, где оба перехода эмиттера и коллектора смещены в обратном направлении.

Характеристики с общим эмиттером

Входные характеристики

IB (ток базы) — это входной ток, VBE (напряжение база-эмиттер) — это входное напряжение для режима CE (общий эмиттер). Таким образом, входные характеристики для режима CE будут отношениями между IB и VBE, с VCE в качестве параметра. Характеристики показаны ниже.

Типичные входные характеристики CE похожи на прямые характеристики p-n диода. Но по мере увеличения VCB ширина базы уменьшается.

Выходные характеристики

Выходные характеристики для режима CE — это кривая или график между током коллектора (IC) и напряжением коллектор-эмиттер (VCE), когда ток базы IB является параметром. Характеристики показаны ниже на рисунке.

Как и выходные характеристики транзистора с общей базой, режим CE также имеет три области: (i) активная область, (ii) область отсечки, (iii) область насыщения. В активной области переход коллектора смещен в обратном направлении, а переход эмиттера смещен в прямом направлении.

В области отсечки переход эмиттера слегка смещен в обратном направлении, и ток коллектора не полностью отключен. И, наконец, в области насыщения оба перехода коллектора и эмиттера смещены в прямом направлении.