2. Принцип действия биполярного транзистора

Рассмотрим распределение потоков носителей в транзисторе на примере структуры p-n-p.

Активный режим. В этом режиме сопротивление эмиттерного перехода П_э мало и для получения рабочего тока через него достаточно Е_эб порядка нескольких десятых долей вольта.

При прямом включении эмиттерного перехода П_э потенциальный барьер его уменьшается до величины _э = _к  Е_эб и дырки из эмиттера за счет диффузии будут перемещаться в область базы (явление инжекции), а из базы навстречу - электроны. Таким образом, ток эмиттера, как ток прямо включенного p-n перехода, в основном определяется током диффузии, который состоит из двух составляющих: I_э = I_pэ + I_nэ - электронного и дырочного диффузионных токов.

Так как на практике область эмиттера легирована на 2-3 порядка сильнее области базы (концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе I_pэ + I_nэ транзистора p-n-p), то дырочная составляющая тока эмиттера оказывается много больше электронной составляющей I_pэ I_nэ, которая замыкается через цепь базы и не может участвовать в создании тока коллектора. Поэтому ее стремятся сделать по возможности малой. Отношение

(1)

называется коэффициентом инжекции, или эффективностью эмиттерного перехода. В современных транзисторах он оказывается близким к единице:   0,98…0,995.

Дырочная составляющая тока эмиттера определяется диффузией дырок из эмиттера в базу. Инжектированные в базу дырки в результате создаваемого ими градиента концентрации совершают диффузионное движение в направлении к коллектору. Подойдя к обратно включенному коллекторному переходу, дырки базовой области ускоряются сильным электрическим полем коллекторного перехода и переходят из базы в коллектор (экстракция), увеличивая тем самым ток коллектора по сравнению I_к0.

Рис. 4. Токораспределение в транзисторе.

Напряжение источников питания оказываются приложенными в основном к переходам, обладающим по сравнению с областями транзистора значительно большими сопротивлениями, поэтому можно считать, что электрическое поле в базе бездрейфового транзистора практически отсутствует и перемещение дырок происходит из-за процесса диффузии. При непрерывной инжекции (I_э = 0) в базе устанавливается практически линейное распределение концентрации дырок, которое и предопределяет их перенос через базу.

При увеличении прямого напряжения на эмиттерном переходе концентрация дырок около эмиттера возрастает, а около коллектора остается по-прежнему равной нулю. При этом увеличивается градиент концентрации и, следовательно, возрастает диффузионный поток дырок к коллектору и ток коллектора.

Некоторое количество дырок при диффузионном движении в базе успевает рекомбинировать с электронами проводимости, вызывая тем самым дополнительный приток электронов в базу из внешней цепи, образующих ток рекомбинации, который также замыкается через цепь базы и не является полезным. Для уменьшения потерь инжектированных дырок в базе толщину базы стараются сделать меньше, а площадь коллектора - больше (см. первый вопрос лекции).

Процесс рекомбинации дырок в базе характеризуется коэффициентом переноса

(2)

В основном рекомбинация происходит в пассивной области базы и у правильно сконструированного кристалла коэффициент переноса близок к единице  = 0,988…0,995.

Итак, у бездрейфового транзистора при обычном его режиме работы значения  и  близки к единице. Поэтому и отношение

(3)

называемое интегральным коэффициентом передачи тока эмиттера, также оказывается близким к единице (А = 0,95…0,99).

Токи в транзисторе. Как показано на рис. 4

Iк = АIэ + Iк0 ; Iб = (1 - A) Iэ - Iк0 ;

(4)

Ток I_кp = АI_э представляет собой управляемую часть коллекторного тока. Обратный ток коллектора I_к0 не зависит от тока эмиттера, поэтому иногда его называют неуправляемым или начальным током коллектора.

В теории транзистора и при расчете транзисторных схем широко используют дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера, определяемый отношением приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении U_кб :

= dIк / dIэ  Iк / Iэ при Uкб = const.

(5)

Нетрудно, используя равенства (4) и считая, что А зависит от тока I_э , получить выражение, связывающее  и А

при Uкб = const.

(6)

Однако при изменении эмиттерного тока в средней области значений (обычных для режима усиления) интегральный коэффициент передачи А практически не зависит от тока эмиттера. Это позволяет в большинстве практических расчетов полагать, что   А.

Таким образом, полный коллекторный ток равен

Iк = Iэ + Iк0.

(7)

Во многих случаях I_к0  I_э и с достаточной для практики точностью можно считать, что I_к  I_э.

Используя выражение (7), можно, произведя замену I_э = I_к + I_б, выразить I_к через ток базы

.

(8)

Величину называют коэффициентом передачи тока базы. Он широко используется при расчете и анализе схем с общим эмиттером.

Ток называют начальным сквозным током, так как он протекает через весь транзистор в том случае, когда I_б = 0, то есть при обрыве провода базы.

В этом случае происходит следующее: часть напряжения U_кэ , действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток I_э , а, следовательно, и коллектора I_к . На коллекторный переход поступает больше носителей заряда, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются. Это приводит к увеличению напряжения на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению эмиттерного тока и т.д.

Поэтому при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора (в схеме с общим эмиттером).

При включении сначала подается питание в цепь базы, а затем уже в цепь коллектора, но не наоборот !

Следует заметить, что обрыв провода базы при включенном питании часто приводит к выходу транзистора из строя.

Режим насыщения. При работе в режиме насыщения в прямом направлении включен не только эмиттерный, но и коллекторный переход. Это приводит к тому, что не все носители, инжектированные эмиттером и дошедшие до коллекторного перехода, перехватываются им. Условно можно считать, что навстречу потоку неосновных носителей, идущих из базы в коллектор, идет поток таких же носителей из коллектора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих потоков.

В связи с тем, что в режиме насыщения коллекторный переход уже не осуществляет полной экстракции носителей из базы, там происходит накопление и интенсивная рекомбинация.

В режиме насыщения соотношение I_к  I_э не выполняется, ток базы может оказаться сравнимым с током эмиттера.

Режим отсечки. Если на обоих переходах транзистора напряжение обратное, то через них проходят токи, обусловленные процессами тепловой генерации носителей заряда в объеме полупроводника, областях объемного заряда и на невыпрямляющих контактах, а также утечками. При этом части транзистора, примыкающие к его переходам сильно обеднены носителями заряда.

В качестве параметров режима насыщения обычно принимают измеренные при определенных токах значения напряжения между выводами транзистора. Например, U_кб.нас - падение напряжения между выводами коллектора и базы в режиме насыщения (для схемы с общей базой) или U_кэ.нас - падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера в режиме насыщения (для схемы с общим эмиттером).

Если эти падения напряжения отнести к току, проходящему через коллектор, то полученный параметр называют сопротивлением насыщения.

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания