2.2. Биполярные транзисторы

Рассмотрим,

прежде всего, как работает

VT, для примера типа

p – n – p, в

активном режиме, когда включены только источники постоянных питающих напряжений

Е1 и Е2. Полярность их такова,

что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на

коллекторном – обратное.

Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для

получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е1

в десятые доли

вольта. Сопротивление

коллекторного

перехода велико,

и напряжение Е2 обычно

составляет единицы или десятки вольт.

Из схемы на рис. 2.1 видно, что напряжения

между электродами VT связаны простой зависимостью

Uкэ = Uкб

+ Uбэ

(2.1)

ВАХ

эмиттерного

перехода

представляет

собой

характеристику

полупроводникового диода при прямом

токе. А ВАХ коллекторного перехода подобна

характеристике диоде при обратном токе.

Принцип работы

VT заключается в том,

что прямое напряжение эмиттерного

перехода, т.е. участка Б –

Э

(U э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем

больше это напряжение,

тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменение

тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера.

Таким образом,

напряжение

Uбэ, т.е.

входное напряжение, управляет током коллектора.

Усиление эл.

колебаний с помощью

VT основано именно на этом явлении.

Физические процессы в VT

происходят следующим образом.

Рассмотрение

процессов, протекающих в

VT,

начнем со случая,

когда подано напряжение только на

коллекторный переход, а источник эмиттерного напряжения отключен с помощью ключа

К (рис. 2.1,

б). В этом случае эмиттерный переход находится в равновесном состоянии

(Iдиф = Iдр),

а в коллекторном переходе Iдиф = 0 и поэтому через переход и в цепи К будет

протекать малый обратный ток Iкбо, равный дрейфовому (тепловому) току.

Рассмотрим второй случай: коллекторное напряжение = 0 (коллектор соединен с

базой), а на эмиттерный переход подано прямое напряжение (рис. 2.1,

б). В данном случае

потенциальный барьер в эмиттерном переходе понизится и через переход потечет

значительный ток диффузии

Iдиф = Iдифр

+ I

n. Встречным дрейфовым током можно пренебречь, т.к. он намного

меньше тока

диффузии.

Дырочная и электронная составляющие тока диффузии

неодинаковы: Iдифn << Iдифp,

т.к. из – за низкой концентрации основных носителей заряда в

базе градиент концентрации свободных электронов в направлении Б – Э намного меньше

градиента концентрации дырок в направлении Э

– Б.

Итак, ток эмиттера – это ток диффузии, состоящий из значительной дырочной

составляющей и малой электронной составляющей:

Iэ = Iэр

+ Iэn. Из –

за ухода свободных электронов из базы в эмиттер в результате

диффузии база зарядится положительно. Это значит, что потенциал базы станет выше

потенциала соединенного с ней проводника. Под действием этой разности потенциалов из

соединительного проводника в базу будут поступать электроны.

Т.о., электронная

составляющая

Iэn

тока эмиттера замыкается через базовый вывод и поэтому является

одной из составляющих тока базы.

Электронная составляющая тока эмиттера в

рассматриваемом

VT

структуры p – n – p

является бесполезной, т.к.

она не участвует в

создании управляемого

тока коллектора.

Чем меньше эта составляющая,

тем выше

эффективность эмиттера,

оцениваемая коэффициентом инжекции:

γ = Iэр

/ (Iэр + Iэn) = Iэр / Iэ ≈ 1 – ρэ/ρб

(2.2)

Обычно ρб

на 2 – 3

порядка больше ρэ и значение γ близко к 1 (γ = 0,998..0,999).

Дырки,

перешедшие в результате диффузии из эмиттера в базу (инжекция),

продолжают диффундировать в базе в сторону коллектора, поскольку их концентрация

вблизи коллектора меньше, чем около эмиттера. Так как толщина базы очень мала (10…25

мкм) и концентрация свободных электронов в ней низкая, то

95…99% перешедших из

эмиттера дырок не успевают рекомбинировать в Б. Они достигают коллекторного

перехода и как неосновные носители перебрасываются полем этого перехода в коллектор

(экстракция),

образуя управляемый ток коллектора I . Влияние рекомбинации дырок в

базе на ток коллектора характеризуется коэффициентом

переноса дырок через базу χ,

равным отношению той части дырочной составляющей тока эмиттера,

которая дошла до

коллекторного перехода,

к дырочной составляющей тока эмиттера,

поступившей из

эмиттера в базу χ=IКр/IЭр. Согласно теории транзисторов коэффициент переноса:

,

ðá

где W - толщина базы,

ðá

Lрб -

диффузионная длина пробега дырок в базе.

Коэффициент переноса имеет значения, близкие к 1.

Произведение коэффициентов

инжекции и переноса называется интегральным

(статическим)

коэффициентом передачи

тока эмиттера:

Êð

.

Поскольку

меньше

единицы, αu

тоже

меньше

единицы

коэффициенты γ и χ

Ý

(0,95…0,98). Дырки,

успевшие рекомбинировать в Б, вносят в неё положительный заряд.

Для компенсации этого заряда в базу из соединительного проводника поступит

соответствующее

число

электронов.

Таким

образом,

примерно

2…5%

дырочной

составляющей

IЭр

тока

эмиттера

замыкается

через

цепь базы,

образуя

вторую,

рекомбинационную

IЭрек составляющую тока базы.

Итак, при наличии прямого напряжения на эмиттере и коллекторном напряжении,

равном нулю,

в цепи коллектора протекает ток,

почти равный току эмиттера:

Êð

Ý

Á

Ý .

Если теперь, оставив включенным эмиттерный источник Е1, подать напряжение на

коллектор (третий случай), то под действием коллекторного напряжения повысится

потенциальный барьер в коллекторном переходе и ток диффузии в этом переходе станет

равным нулю.

В результате через коллекторный переход будет протекать еще малый

обратный ток

IКБ0 (рис. 3,в), как в первом случае. Таким образом, ток коллектора:

Ê

Ý

ÊÁ0 .

Ток

IКБ0

является третьей составляющей тока базы. Причем эта составляющая

направлена навстречу составляющим

IЭп и IЭрек,

т.е.

вычитается из них:

Выводы: Á

Ýï

Ýðåê

ÊÁ0

1.

Под действием прямого напряжения,

приложенного к эмиттерному переходу,

потенциальный барьер понижается и в базе диффундируются

(инжектируются)

дырки.

2.

Инжектированные в Б дырки диффундируют в сторону коллекторного перехода.

3.

Т.к.

база очень тонкая и концентрация основных носителей заряда - свободных

электронов -

в ней низкая,

почти все инжектированные в Б дырки достигают

коллекторного перехода и перебрасываются полем этого перехода в коллектор,

образуя управляемый ток коллектора.

4.

Небольшая часть инжектированных дырок, успевшая рекомбинировать в Б,

образует рекомбинационную составляющую тока эмиттера IЭрек, замыкающегося

через цепь базы.

5.

Через цепь базы замыкается также небольшая электронная составляющая тока

эмиттера IЭп,

образованная диффузией свободных электронов из базы в эмиттер,

и обратный ток коллекторного перехода

IКБ0.

Последний направлен навстречу

составляющим IЭп и IЭрек.

По рекомендованной терминологии Эмиттером следует называть область транзистора,

назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют

область,

назначением которой является экстракция носителей заряда из базы.

А Базой

является область, в которую инжектируются Эмиттером неосновные для этой области

носители заряда.

Следует отметить,

что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый

инверсный режим),

но в транзисторе, как правило, коллекторный переход делается со

значительно большей площадью, нежели эмиттерный,

т.к. мощность,

рассеиваемая на

коллекторном переходе,

гораздо больше, чем рассеиваемая эмиттерном. Поэтому если

использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно

применять только при значительно меньшей

мощности, что нецелесообразно. Если

площади переходов

сделаны

одинаковыми

(транзистор в этом случае называется

симметричным), то любая из крайних областей

может с одинаковым успехом работать в

качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то

приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений токов коллектора и

базы:

Ý

Ê

Á .

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа p-n-p. Подобные же процессы

происходят в транзисторе типа n-p-n, но в нем меняются ролями дырки и электроны, а

также изменяются полярности напряжений и направления токов.

В транзисторе n-p-n типа

из эмиттера в базу инжектируются не дырки, а электроны, которые являются для базы

неосновными носителями заряда. С увеличением тока эмиттера больше таких электронов

протекает через базу к коллекторному переходу.

Это

вызывает

уменьшение его

сопротивления и возрастание тока коллектора.

Работу транзистора можно наглядно представить с

помощью потенциальной диаграммы,

приведенной на

рис. 4 для транзистора типа

n-p-n.

Эту диаграмму

удобно использовать для создания механической

модели

транзистора.

Потенциал эмиттера принят за

нулевой.

В эмиттерном переходе имеется небольшой

потенциальный барьер.

Чем больше напряжение UбЭ,

тем ниже этот барьер.

Коллекторный

переход имеет

значительную

разность

потенциалов,

ускоряющую

электроны.

В механической модели шарики,

аналогичные электронам,

за счет своих собственных

скоростей поднимаются на барьер,

аналогичный

эмиттерному переходу, проходят через область базы, а

затем ускоренно скатываются с горки,

аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах

приходится учитывать ещё ряд явлений.

Существенно влияет на работе транзисторов базы rбо, т.е. сопротивление, которое

база оказывает току базы iб (ноль в индексе здесь означает, что данная величина относится

к постоянному току).

Этот ток протекает к выводу базы в направлении,

перпендикулярном направлению эмиттер-коллектор.

Так

как база очень тонкая, то в

направлении от эмиттера к коллектору,

т.е. для тока iк, ее сопротивление очень мало и не

принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы rбо (его

называют поперечным)

достигает сотен Ом, т.к. в этом направлении база аналогична

очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем

напряжение Uбэ, между выводами базы и эмиттера, т.к. часть подводимого напряжения

теряется на сопротивлении базы.

С

учетом сопротивления

rбо можно изобразить

эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис.5. На

этой схеме

rэо

- сопротивление эмиттера, в которое входят

сопротивление

эмиттерного перехода и эмиттерной

области.

Значение

rэо

у

маломощных транзисторов

достигает

десятков

Ом.

Это вытекает из того,

что

напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых

долей вольта,

а ток эмиттера в таких транзисторах

составляет единицы мА. У более мощных транзисторов iэо

больше

и

rэо

соответственно меньше.

Сопротивление rэо

определяется формулой:

ýî

, [Ом],

ý

где iэ - ток эмиттера в мА.

Сопротивление

коллектора

rко

представляет собой практически сопротивление