1.4. Токи в транзисторе

В результате снижения потенциального барьера на эмиттерном переходе из эмиттера в базу начинается диффузионное движение основных носителей. Так как дырок (электронов) в эмиттере (базе) много больше, чем в базе (эмиттере), то коэффициент инжекции весьма высок. Концентрация дырок в базе увеличивается. Появившийся вблизи эмиттерного перехода объемный положительный заряд почти мгновенно компенсируется зарядом электронов, входящих в базу от источника U_ЭБ. Цепь тока эмиттер – база замкнута. Электроны, устремившиеся в базу, создают вблизи эмиттерного перехода объемный отрицательный заряд. Около перехода образуется область повышенной концентрации дырок и электронов. Они начинают диффундировать в сторону коллектора. Так как база узкая, то дырки (неосновные носители) не успевают прорекомбинировать и, попадая в ускоряющее поле коллекторного перехода, втягиваются в коллектор. Этот процесс называется экстракция. Электроны же, число которых равно числу ушедших в коллектор дырок, устремляются в базовый вывод. Цепь коллектор-база замкнута.

,

где I_Э – ток в цепи эмиттера;

I_К – ток в цепи коллектора;

I_Б – ток на базовом выводе.

В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение, и через переход течет ток:

,

где I_ЭР – ток инжекции дырок из эмиттера в базу;

I_Эn – ток инжекции электронов из базы в эмиттер;

I_Эr – ток рекомбинации в эмиттерном переходе.

Обратный ток в биполярном транзисторе равен:

,

где – тепловой ток;

– ток генерации;

– ток утечки.

Дырочный коллекторный ток равен:

,

где I_РЭ – дырочный эмиттерный ток;

I_rР и I_{r n} – рекомбинационные токи .

1.5. Схема замещения транзистора и ее параметры

Ранее, при анализе режимов работы транзисторов, рассматривались постоянные составляющие токов и напряжений. В усилительных схемах основную роль играют переменные сигналы с малыми амплитудами. Эти режимы удобно исследовать с помощью схемы замещения (рис.1.8), включающей параметры, связанные с физическими процессами в транзисторе. Эти параметры, называемые дифференциальными параметрами, определяются для малых участков рабочих характеристик, в пределах которых можно пренебречь нелинейностью этих характеристик.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода равно отношению приращения напряжения на переходе к приращению тока эмиттера при коротком замыкании в цепи коллектора по переменному току:

.

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода равно отношению приращения напряжения на этом переходе к приращению тока коллектора в режиме холостого хода в цепи эмиттера по переменному току:

.

Это сопротивление зависит от материала транзистора, его геометрических размеров, а также от тока эмиттера.

Схема замещения содержит резистор , который учитывает влияние объёмного (омического) сопротивления базы и зависит от конфигурации и материала базы. Влияние эмиттерного тока на коллекторный в схеме замещения учитывается генератором тока аI_Э; С_Э, С_К – эквивалентные емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Генератор напряжения учитывает влияние эффекта модуляции толщины базы (эффекта Эрли): при приложении к коллектору обратного напряжения увеличивается ширина области пространственного заряда, и толщина базы уменьшается, а при приложении прямого напряжения – уменьшается; приращение толщины коллектора dк равно приращению толщины базы W.

Рассмотрим значение толщины базы W, W' и коллектора dk, dk' при различных значениях коллекторного напряжения U_КБ и U'_КБ с помощью диаграмм (рис. 1.9).

Видно, что при заданном значении тока I_Э на входе и изменении напряжения U_КБ на U'_КБ одновременно с сокращением ширины базы изменяется распределение концентрации зарядов P_n, так прямая 1 переходит в прямую 2, имеющую больший угол наклона. Такому изменению распределения соответствует увеличение эмиттерного напряжения. Следовательно, коллекторное напряжение, модулируя толщину базы, одновременно воздействует на эмиттерное напряжение. Это влияние можно определить как внутреннюю обратную связь по напряжению с коэффициентом обратной связи, равным:

.