Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру n-р-n или р-n-р-типа с двумя р-n-переходами (рис. 4). На каждый р-n-переход может быть подано как прямое, так и обратное напряжения (их называют смещением). В зависимости от их сочетания различают разные режимы работы транзистора.

Рассмотрим кратко работу n-р-n-транзистора. На границе раздела полупроводников с n (электронной)- и р (дырочной)-типами проводимостей за счет диффузии возникает область разноименных объемных зарядов. Она образована ионизированными атомами акцепторной и донорной примесей и обеднена подвижными носителями заряда: электронами и дырками. Поле контактной разности потенциалов, образующееся между зарядами, представляет собой потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Если на эмиттерный переход подано прямое смещение (как показано на рис. 4), то потенциальный барьер уменьшается, и из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны. Концентрация дырок в базе обычно существенно ниже концентрации электронов в эмиттере, и инжекцией дырок в эмиттер можно пренебречь. Поэтому ток эмиттера i₃ образуется электронной составляющей потока носителей. Инжектированные из эмиттера электроны являются в базе неосновными носителями зарядов и будут, главным образом за счет диффузии, двигаться сквозь базу по направлению к коллекторному переходу. На коллектор относительно базы подается положительное напряжение, что соответствует обратному смещению коллекторного перехода. Достигшие коллекторного перехода электроны втягиваются его полем в область коллектора и образуют ток коллектора i_к. Так как толщина базы мала, а концентрация дырок в ней невелика, то только небольшая часть электронов рекомбинирует (объединяется) с дырками базы; остальные электроны достигают коллекторного перехода. Рекомбинация электронов в базе вызывает соответствующий ток во внешней цепи - ток базы i_б.

Между токами эмиттера, базы и коллектора существуют очевидные соотношения:

где α - коэффициент передачи тока эмиттера; он принимает, в зависимости от типа транзистора, значения в интервале от 0,95 до 0,99. Из приведенных соотношений получаем зависимость тока коллектора от тока базы:

                                                                       (2)

Параметр                                                      (3)

называется коэффициентом передачи тока базы и составляет 20÷100. Говорят, что в транзисторе происходит усиление тока базы.

3.3. Вольтамперные характеристики биполярного
транзистора в схеме с общим эмиттером

Свойства биполярного транзистора определяются семействами статических вольтамперных характеристик, которые выражают взаимосвязь его токов и напряжений. Вид этих характеристик зависит от схемы включения транзистора. Наиболее популярной является схема с общим эмиттером (рис. 5). Входными характеристиками является семейство i_б = F(u_бэ) при u_кэ = const (рис. 6, a). Они подобны характеристикам полупроводникового диода. Выходные характеристики представляют семейство i_к = F(u_кэ) при

i_б = const (рис. 6, б).

При малом u_кэ, когда i_б >0 (т.е. u_бэ ≥ 0,6 В), коллекторный переход (как и эмиттерный) оказывается смещенным в прямом направлении, поэтому не все инжектированные в базу электроны попадают в область коллектора.

Транзистор работает здесь в режиме насыщения, так как увеличение тока базы не приводит к увеличению тока коллектора. Соответствующие этому режиму характеристики сливаются в линию Б. Далее с ростом u_кэ ток коллектора i_к сначала быстро растет, а затем почти не изменяется.

С увеличением тока базы, который является частью тока эмиттера, ток коллектора также возрастает, и статические характеристики смещаются вверх. Транзистор работает здесь в активном режиме и выступает как регулятор тока. Следует отметить довольно высокую линейность связи коллекторного и базового токов, что проявляется в эквидистантном расположении пологих участков коллекторных характеристик. Наконец, при обратном смещении эмиттерного перехода (т.е. u_бэ< 0,6 В) последний заперт, и через транзистор протекает неуправляемый (его называют сквозным) ток i_кэс. Такой режим называется режимом отсечки тока. Характеристика i_б = 0 (линия А) разделяет области активного режима и отсечки.

3.4. Описание транзистора h-параметрами и его
эквивалентная схема

При анализе транзисторных схем в режиме малого сигнала транзистор удобно представлять в виде линейного четырехполюсника (рис. 7) и описывать связь токов и напряжений на входе и выходе четырьмя параметрами. Для описания транзисторов обычно используют удобные в измерении так называемые гибридные h-параметры; введем их.

Возьмем в качестве независимых переменных входной ток i₁ и выходное напряжение u₂. Тогда входное напряжение u₁ и выходной ток i₂ будут некоторыми нелинейными функциями выбранных независимых переменных:

При малых изменениях токов и напряжений приращения входного напряжения и выходного тока для активной области можно записать в виде   

.

Здесь производные вычисляются для некоторых постоянных значений тока и напряжения I_1,0, U_2,0, которые характеризуют режим транзистора по постоянному току. Обозначим эти константы

.

Роль малых приращений могут играть малые переменные токи и напряжения с амплитудами I₁, I₂ и U₁, U₂. Тогда зависимость между переменными токами и напряжениями в транзисторе будет описываться системой линейных уравнений с h-параметрами:

                                                              (4а)

.                                                              (4б)

Согласно (4), параметр h₁₁ является входным сопротивлением транзистора, а h₂₁ - коэффициентом передачи тока при коротком замыкании выхода (U₂ = 0); h₂₂ - выходная проводимость, а h₁₂ - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе (I₁ = 0). Параметр h₂₁ равен α для схемы с общей базой и β - для схемы с общим эмиттером.

Конкретные значения h-параметров различаются для разных типов транзисторов, схем их включения и режима по постоянному току I_1,0, U_2,0; h-параметры могут быть также вычислены из статических вольт-амперных характеристик транзистора, если последние известны.

В соответствии с уравнениями (4) транзистор формально можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 8. Генератор тока h₂₁I₁, в выходной цепи учитывает эффект усиления тока, а генератор h₁₂U₂ отражает наличие напряжения обратной связи во входной цепи.

Эквивалентная схема данного вида может использоваться для исследования транзисторных схем при малом гармоническом сигнале в широком диапазоне частот. В этом случае уравнения (4) записываются для комплексных амплитуд токов и напряжений, а сами h-параметры будут зависящими от частоты комплексными величинами. Для относительно низких частот h-параметры можно считать константами для выбранного режима транзистора по постоянному току. Например, для кремниевого n-р-n-транзистора КТ315Б при I_к0 = 1 мА, U_кэ0 = 10 В h-параметры в схеме с общим эмиттером обычно лежат в интервалах значений:

Усилитель напряжения

На рис. 9 показана простейшая схема усилителя на транзисторе с общим эмиттером. Входной сигнал U_вх подается между базой и эмиттером, а выходной U_вых снимается с коллектора. В отсутствие сигнала (U_вх = 0) через транзистор протекают постоянные токи I_к0, I_б0; режим постоянного тока задается источником базового смещения Е_б0. Обсудим работу схемы, используя введенные выше параметры.

Входной сигнал (приращение)             U_вх = U_б вызывает изменение тока базы  I_б = U_бэ /h₁₁. Ток коллектора также получит приращение I_к = h₂₁I_б. Запишем, пользуясь законом Кирхгофа, напряжение на коллекторе

Как видим, приращение тока коллектора вызывает изменение падения напряжения на сопротивлении R_к и обратное по знаку изменение напряжения на коллекторе:

Тогда коэффициент усиления равен

                                                                 (5)

Знак минус указывает на то, что усилитель с общим эмиттером является инвертирующим.

Формула (5) учитывает не все параметры транзистора, поэтому является приближенной. Однако она дает простую интерпретацию механизма усиления; в соответствии с нею коэффициент усиления пропорционален усилительным свойствам транзистора (параметру h₂₁) и сопротивлению R_к. В то же время формула (5) обеспечивает приемлемую точность оценки коэффициента усиления. Например, для параметров h₂₁ = 100, h₁₁ = 2,5 кОм выбор сопротивления R_к = 5 кОм дает К= 200.

Расчет характеристик усилителя удобно проводить, используя эквивалентную схему транзистора, изображённую на рис.8. В этом случае в эквивалентную схему следует вводить только те внешние элементы, которые оказывают влияние на распределение переменных токов и напряжений. Такую схему называют схемой по переменному току. В простейшем случае в неё вводится только сопротивление R_к (на рис. 8 оно показано пунктиром). Обратим внимание, что в эту схему не входит источник питания Е_к. Это объясняется тем, что сопротивление источника для переменного тока практически равно нулю, на этом участке цепи не создается переменного падения напряжения, и он исключен из схемы. Пренебрегая обратной связью (h₁₂ = 0), получаем из эквивалентной схемы для коэффициента усиления выражение

 ,                                               (6)

где   - сопротивление параллельного соединения элементов 1/h₂₂ и R_к. Как правило, h₂₂ R_к << 1, и из (6) следует (5). Входное и выходное сопротивления усилителя в том же приближении равны

 .                                             (7)

Последние являются важными параметрами; они необходимы для оценки влияния на характеристики усилителя внешних по отношению к нему цепей источника сигнала и нагрузки.

Рассчитаем таким же образом полезный практический случай. Для улучшения работы усилителя с общим эмиттером последовательно эмиттеру транзистора включают дополнительное сопротивление R_э (на рис. 9 оно показано пунктиром).

Построим эквивалентную схему такого усилителя (рис. 10), используя упрощенную эквивалентную схему транзистора (рис. 8).

Входное сопротивление

с учетом I_э = (1+h₂₁) I _б равно

.

Тогда коэффициент усиления

.

Таким образом, включение R_э увеличивает входное сопротивление и уменьшает коэффициент усиления. Обычно R_э ≈ h₂₁ и составляет единицы килоом. Тогда, принимая во внимание h₂₁ >> 1, получаем

.                                                           (8)

Включение R_э обеспечивает так называемую отрицательную обратную связь по току. Из рис.9 видно, что переменный (усиленный) ток эмиттера, протекая по сопротивлению R_э, создает на нем переменное напряжение I_эR_э. Управляющее напряжение между базой и эмиттером транзистора равно U_бэ = U_вх - I_эR_э, то есть меньше, чем U_вх. В результате коэффициент усиления становится меньше.