Біполярний транзистор являє собою напівпровідниковий прилад, що має два електронно-доручених переходу, освічених в одному монокристалі напівпровідника. Ці переходи утворюють в напівпровіднику три області з різними типами електропровідності. Одна крайня область називається емітером (Е), інша - колектором (К), середня - базою (Б). До кожної області припаюють металеві висновки для включення транзистора в електричний ланцюг.
Електропровідність емітера і колектора протилежна електропровідності бази. Залежно від порядку чергування р- і n-областей розрізняють транзистори зі структурою р-n-р і n-р-n. Умовні графічні позначення транзисторів р-n-р і n-р-n відрізняються лише напрямком стрілки у електрода, що позначає емітер.
Принцип роботи транзисторів р-n-р і n-р-n однаковий, тому в подальшому будемо розглядати лише роботу транзистора зі структурою р-n-р.
Електронно-дірковий перехід, утворений емітером і базою, називається емітерним, а колектором і базою - колекторним. Відстань між переходами дуже мало: у високочастотних транзисторів воно менше 10 мікрометрів (1 мкм = 0,001 мм), а у низькочастотних не перевищує 50 мкм.
При роботі транзистора на його переходи надходять зовнішні напруги від джерела живлення. Залежно від полярності цих напруг кожен перехід може бути включений як в прямому, так і в зворотному напрямку. Розрізняють три режими роботи транзистора: 1) режим відсічення - обидва переходу і, відповідно, транзистор повністю закриті; 2) режим насичення - транзистор повністю відкритий; 3) активний режим - це режим, проміжний між двома першими. Режими відсічення і насичення спільно застосовуються в ключових каскадах, коли транзистор поперемінно то повністю відкритий, то повністю замкнений з частотою імпульсів, що надходять на його базу. Каскади, що працюють в ключовому режимі, застосовуються в імпульсних схемах (імпульсні блоки живлення, вихідні каскади малої розгорнення телевізорів і ін.). Частково в режимі відсічення можуть працювати вихідні каскади підсилювачів потужності.
Найбільш часто транзистори застосовуються в активному режимі. Такий режим визначається подачею на базу транзистора напруги невеликої величини, яке називається напругою зміщення (U см.) Транзистор відкривається і через його переходи починає текти струм. Принцип роботи транзистора заснований на тому, що відносно невеликий струм, поточний через емітерний перехід (струм бази), управляє струмом більшої величини в ланцюзі колектора. Струм емітера є сумою струмів бази і колектора.
Режим відсічення транзистора виходить тоді, коли емітерний і колекторний р-n-переходи підключені до зовнішніх джерел в зворотному напрямку. У цьому випадку через обидва р-n-переходу протікають дуже малі зворотні струми емітера (IЕБО) І колектора (I КБО). Струм бази дорівнює сумі цих струмів і в залежності від типу транзистора знаходиться в межах від одиниць мікроампер - мкА (у кремнієвих транзисторів) до одиниць міліампер - мА (у германієвих транзисторів).
Якщо емітерний і колекторний р-n-переходи підключити до зовнішніх джерел в прямому напрямку, транзистор буде знаходитися в режимі насичення. Дифузійне електричне поле емітерного і колекторного переходів буде частково послаблюватися електричним полем, створюваним зовнішніми джерелами U ЕБ і U КБ. В результаті зменшиться потенційний бар'єр, що обмежував дифузію основних носіїв заряду, і почнеться проникнення (інжекція) дірок з емітера і колектора в базу, тобто через емітер і колектор транзистора потечуть струми, звані струмами насичення емітера (I Е.нас) і колектора (I К.нас).
Для посилення сигналів застосовується активний режим роботи транзистора.
При роботі транзистора в активному режимі його емітерний перехід включається в прямому, а колекторний - у зворотному напрямках.
Під дією прямого напруги UЕБ відбувається інжекція дірок з емітера в базу. Потрапивши в базу n-типу, дірки стають в ній неосновними носіями заряду і під дією сил дифузії рухаються (дифундують) до колекторного р-n-переходу. Частина дірок в базі заповнюється (рекомбинирует) наявними в ній вільними електронами. Однак ширина бази невелика - від кількох одиниць до 10 мкм. Тому основна частина дірок досягає колекторного р-n-переходу і його електричним полем перекидається в колектор. Очевидно, що струм колектора ІК p не може бути більше струму емітера, так як частина дірок рекомбінує в базі. Тому IK p = h21БIе
Величина h21Б називається статичним коефіцієнтом передачі струму емітера. Для сучасних транзисторів h21Б = 0,90. 0,998. Так як колекторний перехід включений в зворотному напрямку (часто говорять - зміщений у зворотному напрямку), через нього протікає також зворотний струм I КБО. утворений неосновними носіями бази (дірками) і колектора (електронами). Тому повний струм колектора транзистора, включеного за схемою із загальною базою
I до = h 21Б Iе + IКБО
Дірки, що не дійшли до колекторного переходу і прорекомбініровавшіе (заповнити) в базі, повідомляють їй позитивний заряд. Для відновлення електричної нейтральності бази в неї із зовнішнього ланцюга надходить така ж кількість електронів. Рух електронів із зовнішнього ланцюга в базу створює в ній рекомбінаційний ток I Б.рек. Крім рекомбінаційного через базу протікає зворотний струм колектора в протилежному напрямку і повний струм бази
I Б = I Б.рек - IКБО
В активному режимі ток бази в десятки і сотні разів менше струму колектора і струму емітера.
У попередній схемі електричний ланцюг, утворена джерелом U ЕБ. емітером і базою транзистора, називається вхідний, а ланцюг, утворена джерелом U КБ. колектором і базою цього ж транзистора, - вихідний. База є загальним електродом транзистора для вхідний і вихідний ланцюгів, тому таке його включення називають схемою зі спільною базою, або скорочено «схемою ПРО».
На наступному малюнку зображено схема, в якій загальним електродом для вхідний і вихідний ланцюгів є емітер. Це схема включення з загальним емітером, або скорочено «схема ОЕ».
У ній вихідним струмом, як і в схемі ПРО, є струм колектора I К. незначно відрізняється від струму емітера I е. а вхідним - струм бази I Б. значно менший, ніж колекторний струм. Зв'язок між струмами I Б і I До в схемі ОЕ визначається рівнянням: I К = h21 Е I Б + IКЕО
Коефіцієнт пропорційності h21 Е називають статичним коефіцієнтом передачі струму бази. Його можна виразити через статичний коефіцієнт передачі струму емітера h21Б
h21 Е = h21Б / (1 - h21Б)
Якщо h21Б знаходиться в межах 0,9. 0,998, відповідні значення h21 Е будуть в межах 9. 499.
Складова I КЕТ називається зворотним струмом колектора в схемі ОЕ. Її значення в 1+ h21 Е разів більше, ніж I КБО. т. е. I КЕТ = (1+ h21 Е) I КБО. Зворотні струми I КБО і I КЕТ не залежить від вхідної напруги U ЕБ і U БЕ і внаслідок цього називаються некерованими складовими колекторного струму. Ці струми сильно залежать від температури навколишнього середовища і визначають температурні властивості транзистора. Встановлено, що значення зворотного струму I КБО подвоюється при підвищенні температури на 10 ° С для германієвих і на 8 ° С для кремнієвих транзисторів. У схемі ОЕ температурні зміни некерованого зворотного струму IКЕО можуть в десятки і сотні разів перевищити температурні зміни некерованого зворотного струму I КБО і повністю порушити роботу транзистора. Тому в транзисторних схемах застосовуються спеціальні заходи термостабілізації транзисторних каскадів, що сприяють зменшенню впливу температурних змін струмів на роботу транзистора.
На практиці часто зустрічаються схеми, в яких загальним електродом для вхідний і вихідний ланцюгів транзистора є колектор. Це схема включення з загальним колектором, або «схема ОК» (емітерний повторювач).
Незалежно від схеми включення транзистора для нього завжди справедливо рівняння, що зв'язує струми його електродів:
Iе = I до + I Б.
Порівняльна оцінка схем включення біполярних транзисторів
KI - коефіцієнт посилення по току
KU - коефіцієнт посилення по напрузі