1. Введение: что такое биполярный транзистор
Биполярный транзистор (Bipolar Junction Transistor, BJT) — трёхэлектродный полупроводниковый прибор с двумя p‑n‑переходами, в котором ток образуется двумя типами носителей заряда: дырками (p) и электронами (n).
Ключевые особенности:
- управление током базы позволяет регулировать ток коллектора;
- усиление по току и мощности;
- работа в аналоговых и цифровых схемах.
Области применения:
- усилители сигналов;
- ключевые (переключающие) схемы;
- генераторы;
- логические элементы;
- стабилизаторы напряжения.
2. Устройство и принцип действия
2.1. Структура транзистора
BJT состоит из трёх областей с чередующимся типом проводимости:
- Эмиттер (E) — сильно легированная область, поставляет носители заряда.
- База (B) — тонкая слабо легированная область, управляет током.
- Коллектор © — умеренно легированная область, собирает носители.
Типы транзисторов:
- n‑p‑n — электроны движутся от эмиттера к коллектору;
- p‑n‑p — дырки движутся от эмиттера к коллектору.
2.2. Физические процессы
- Инжекция носителей: при прямом смещении эмиттерного перехода (U<sub>BE</sub> > 0) носители (электроны в n‑p‑n) инжектируются в базу.
- Диффузия через базу: носители проходят тонкую базу без рекомбинации (база — «окно» для тока).
- Сбор носителей: на коллекторном переходе (U<sub>BC</sub> < 0) электрическое поле ускоряет носители → ток коллектора I<sub>C</sub>.
- Рекомбинация в базе: часть носителей рекомбинирует, образуя ток базы I<sub>B</sub>.
2.3. Основные токи
- I<sub>E</sub> — ток эмиттера (сумма I<sub>C</sub> и I<sub>B</sub>);
- I<sub>C</sub> — ток коллектора (основной полезный ток);
- I<sub>B</sub> — ток базы (управляющий, мал по сравнению с I<sub>C</sub>).
Связь токов:
IE=IC+IB.
3. Режимы работы
3.1. Активный режим (усиление)
Условия:
- эмиттерный переход — прямое смещение (U<sub>BE</sub> ≈ 0,6–0,7 В для Si);
- коллекторный переход — обратное смещение (U<sub>CB</sub> > 0).
Особенности:
- I<sub>C</sub> пропорционален I<sub>B</sub>: IC=β⋅IB, где β — коэффициент усиления по току;
- транзистор усиливает сигнал по току и напряжению;
- используется в усилителях.
3.2. Режим насыщения (ключ «включён»)
Условия:
- оба перехода — прямое смещение (U<sub>BE</sub> > 0, U<sub>BC</sub> > 0);
- U<sub>CE</sub> ≈ 0,2 В (для Si).
Особенности:
- I<sub>C</sub> максимален, но не зависит от I<sub>B</sub>;
- транзистор ведёт себя как замкнутый ключ;
- применяется в цифровых схемах (логический «1»).
3.3. Режим отсечки (ключ «выключен»)
Условия:
- оба перехода — обратное смещение (U<sub>BE</sub> < 0, U<sub>BC</sub> < 0);
- I<sub>B</sub> ≈ 0, I<sub>C</sub> ≈ I<sub>КО</sub> (ток утечки).
Особенности:
- транзистор эквивалентен разомкнутому ключу;
- используется для отключения цепей.
3.4. Инверсный режим
Условия:
- коллекторный переход — прямое смещение;
- эмиттерный переход — обратное смещение.
Особенности:
- βинв≪β (усиление мало);
- редко используется на практике.
4. h‑параметры: система малосигнальных параметров
h‑параметры (гибридные параметры) — линейные коэффициенты, описывающие поведение транзистора в малосигнальном режиме (малые изменения токов и напряжений).
4.1. Система уравнений
Для четырёхполюсника (транзистора) справедлива система:
{ΔUBE=h11⋅ΔIB+h12⋅ΔUCE,ΔIC=h21⋅ΔIB+h22⋅ΔUCE.
Параметры (в схеме с общим эмиттером, ОЭ):
- h<sub>11</sub> = h<sub>ie</sub> (входное сопротивление):h11=ΔIBΔUBEUCE=const[Ом].
- типично: 1–5 кОм.
- h<sub>12</sub> = h<sub>re</sub> (коэффициент обратной связи по напряжению):h12=ΔUCEΔUBEIB=const[безразмерный].
- очень мал (10<sup>−4</sup>–10<sup>−3</sup>), часто пренебрегают.
- h<sub>21</sub> = h<sub>fe</sub> (коэффициент усиления по току):h21=ΔIBΔICUCE=const=β.
- типично: 50–500 (зависит от тока и температуры).
- h<sub>22</sub> = h<sub>oe</sub> (выходная проводимость):h22=ΔUCEΔICIB=const[См].
- обратная величина — выходное сопротивление ro=1/h22 (десятки кОм).
4.2. Эквивалентная схема по h‑параметрам
На низких частотах транзистор заменяют линейной моделью:
- входное сопротивление — h11;
- источник тока — h21⋅IB;
- выходная проводимость — h22.
Преимущества модели:
- простота расчётов усилителей;
- учёт обратной связи (h12);
- возможность анализа стабильности.
4.3. Зависимость h‑параметров от режима
- От тока коллектора: β=h21 максимален при средних токах, падает на краях диапазона.
- От температуры: β растёт с температурой; UBE падает на ≈ 2 мВ/°C.
- От частоты: на высоких частотах β снижается из‑за инерционности переходов.
5. Основные характеристики транзистора
- Входная характеристика IB(UBE) — зависимость тока базы от напряжения база‑эмиттер (аналогична ВАХ диода).
- Выходная характеристика IC(UCE) — семейство кривых при разных IB.
- Характеристика передачи $I_C(I_B
