Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда, и пригодный для усиления мощности электрических сигналов.

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника, имеющих разную проводимость, различают транзисторы р-n-р- и n-р-n-типа (рис. 1,а,б). Принцип их работы одинаков, различие заключается только в полярности источников внешних напряжений и в направлении протекания токов через электроды.

а б

Рис. 1

Классификация и система обозначений биполярных транзисторов

По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы бывают: малой мощности P < 0,3 Вт; средней мощности 0,3 Вт < P < 1,5 Вт; большой мощности P > 1,5 Вт.

По частотному диапазону транзисторы делятся на: низкочастотные  < 3 МГц; среднечастотные 3 МГц <  < 30 МГц; высокочастотные 30 МГц <  < 300 МГц; сверхвысокочастотные  > 300 МГц.

Для маркировки биполярных транзисторов используется буквенно-цифровая система условных обозначений согласно ОСТ 11.336.038-77. Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.

Первый элемент – буква или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия.

Второй элемент – буква, указывающая на тип транзистора: Т – биполярный, П – полевой.

Третий элемент – цифра, указывающая на частотные свойства и мощность транзистора (табл. 1)

Таблица 1

Четвертый, пятый, (шестой) элементы – цифры, указывающие порядковый номер разработки.

Шестой (седьмой) элемент – буква, указывающая на разновидность транзистора из данной группы. Примеры обозначения транзисторов: КТ315А; КТ806Б; ГТ108А; КТ3126.

Принцип действия транзистора

Одну из крайних областей транзисторной структуры легируют сильнее, ее используют обычно в режиме инжекции и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю область – коллектором. Коллекторная область предназначена для экстракции носителей заряда из базовой области. Электронно-дырочный переход между эмиттерной и базовой областями называют эмиттерным, а между коллекторной и базовой – коллекторным.

Различают следующие режимы работы транзистора:

активный режим – напряжение на эмиттерном переходе прямое, на коллекторном обратное (запирающее);

режим отсечки – на обоих переходах обратное напряжение;

режим насыщения – на обоих переходах прямое напряжение;

инверсный режим – коллекторный переход смещен в прямом направлении, эмиттерный – в обратном.

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На рис. 2 показаны полярности внешних источников напряжения и направления токов транзистора, соответствующие активному режиму работы, для трех схем включения.

а б в

Рис. 2

Принцип работы биполярного транзистора наиболее удобно рассматривать в активном режиме для схемы с общей базой (рис. 3). При увеличении прямого смещения U_эб на эмиттерном переходе снижается его потенциальный барьер, что вызывает инжекцию дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Поскольку концентрация примеси в эмиттере много больше концентрации примеси в базе (концентрация основных носителей эмиттера много больше концентрации основных носителей базы), то инжекция дырок из эмиттера в базу доминирует над инжекцией электронов из базы в эмиттер. Через эмиттерный переход протекает ток инжекции, имеющий две составляющие: дырочную I_эp и электронную I_эn. Процесс инжекции характеризуется коэффициентом инжекции (эффективностью эмиттерного перехода) , показывающим, какую долю составляет от общего тока эмиттера ток инжектированных в базу носителей.

В результате инжекции дырок из эмиттера в базу возрастает их концентрация вблизи эмиттерного перехода. Это приводит к диффузионному движению дырок через базу к коллекторному переходу. Поскольку ширина базы значительно меньше диффузионной длины дырок, то незначительная их часть рекомбинирует с собственными носителями базы – электронами, создавая рекомбинационную составляющую тока базы I_б рек. Процесс переноса неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса e = I_кp/I_эp, где I_кp – ток дырок, дошедших до коллекторного перехода в области базы.

Дырки, подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в ускоряющее поле U_кб и экстрагируют в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора I_к упр.

Экстракция дырок может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным умножением носителей заряда в коллекторном переходе. Этот процесс оценивается коэффициентом лавинного умножения М = I_к упр/I_кp. В лавинных транзисторах M > 1.

Ток коллектора, вызванный инжекцией основных носителей через эмиттерный переход, называют управляемым током коллектора I_к упр = geMI_э, где geM = h_21Б < 1 называют статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Часто h_21б обозначают как a. Значения h_21Б лежат в диапазоне 0,95¼0,999.

Кроме управляемого тока коллектора I_к упр через коллекторный переход протекает обратный неуправляемый ток I_кб0, обусловленный экстракцией собственных неосновных носителей базы (дырок) и коллектора (электронов):

I_к = h_21БI_э + I_кб0. (1)