6.1.2 Способи вмикання й режими роботи біполярних транзисторів

Під час вмикання БТ в електронну схему один його електрод вважають вхідним, другий – вихідним, а третій, щодо якого вимірюють вхідну і вихідну напруги, - спільним. Розрізняють наступні схеми вмикання БТ: схема зі спільною базою ССБ (рисунок 6.3, а), схема зі спільним емітером ССЕ (рисунок 6.3, б) і схема зі спільним колектором ССК (рисунок 6.3, в).

a) б) в)

Рисунок 6.3 – Схема вмикання БТ

Залежно від величини та полярності напруг на електродах приладу розрізняють наступні режими роботи БТ:

1. Режим відсічення (РВ). Обидва переходи вмикаються у зворотному напрямі. Запірні шари переходів розширюються, їхні опори зростають, і через переходи проходять зворотні струми колектора та емітера . Це струм неосновних носіїв емітерної та колекторної областей – електронів, й оскільки концентрація цих носіїв невелика, струми ці незначні. Внаслідок різниці площ переходів для сплавних БТ . БТ закритий, вихідний струм некерований;

2. Режим насичення (РН). БП і КП вмикаються в прямому напрямі. Дірки інжектують до бази з емітера і колектора, створюючи великі струми насичення та , що визначаються рухом основних носіїв областей. У базі відбувається накопичення неосновних нерівноважних носіїв, опір бази і всього БТ різко знижується, Транзистор у цьому режимі вважають відкритим і насиченим, вихідний струм некерованим;

3. Активний режим (АР). ЕП увімкнено в прямому напрямі, КП – у зворотному. Полярність напруги на електродах БТ, зображених на рисунку 6.3, відповідоє цьому режиму. В колі емітера транзистора проходить струм за рахунок інжекції дірок з емітера до бази, а колекторний струм залежить від струму емітерного. Це основний режим роботи БТ як підсилювального приладу, коли вихідним струмом можна управляти за допомогою зміни вхідного струму;

4. Інверсний режим. Це також режим керованого вихідного струму, однак ЕП увімкнено у зворотному напрямі, КП – прямо.

6.1.3 Принцип дії біполярного транзистора в активному режимі

Принцип дії БТ розглянемо на прикладі схеми зі спільною базою (ССБ), яку показано на рисунку 6.4.

Рисунок 6.4 – Струми в БТ, то працює в активному режимі

На рисунку суцільними стрілками показано діркові струми, або ж умовно взяті (від “+” до “-”) напрями електронних струмів у областях, пунктирними стрілками – електронні струми в базі.

При полярності напруги , що показано на рисунку 6.4, дірки з емітера інжектують до бази, а електрони – з бази до емітера, оскільки ЕП увімкнено в прямому напрямі. Через ЕП проходять емітерні струми: дірковий та електронний . Отже, в зовнішньому колі проходить емітерний струм

. (6.1)

Співвідношення між складовими струму оцінюється коефіцієнтом інжекції

(6.2)

Унаслідок інжекції концентрація дірок у базі біля ЕП підвищується до величини , яку можна визначити за формулою (2.8)

, (6.3)

де - концентрація дірок у базі в стані рівноваги.

Розглянемо розподіл концентрації неосновних носіїв (дірок) у базі в цьому режимі. Протяжність бази позначимо координатою х, тоді межа ЕП відповідає випадку х=0, а межа КП – х = . При х=0 концентрація дірок визначається за формулою (6.3). Концентрацію дірок у базі біля КП ( ) знаходять за виразом

. (6.4)

Розподіл неосновних носіїв у базі транзистора в установленому режимі визначають за допомогою рівняння неперервності

(6.5)

розв’язання якого за граничних умов (6.3) та (6.4) при має вигляд

. (6.6)

З формули (6.6) випливає, що градієнт концентрації неосновних носіїв у базі є величиною постійною стосовно координати х, тобто розподіл концентрації дірок у базі має лінійний характер (рисунок 6.5). З цього рисунка та формул (6.3) і (6.6) бачимо, що градієнт концентрації дірок змінюється при зміні напруги . Під дією цього градієнта дірки дифундують через базу від емітера до колектора. Частина дірок, не досягши КП, рекомбінує в області бази з електронами. На місце електронів, що рекомбінували, від джерела надходять нові електрони, створюючи рекомбінаційну складову струму бази .

Рисунок 6.5 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ, що

працює в активному режимі

Дірки, що досягли КП, створюють колекторний дірковий струм , причому внаслідок рекомбінації в базі . Процес перенесення неосновних носіїв через базу під дією градієнта концентрації характеризується коефіцієнтом перенесення,

, (6.7)

який визначає міру зменшення колекторного діркового струму стосовно емітерного струму .

Дірки, досягши КП, який увімкнено у зворотному напрямі, потрапляють у його прискорювальне поле і перекидаються (екстрагуються) в область колектора. Екстракція дірок може супроводжуватись ударною іонізацією атомів НП і, як наслідок, лавинним множенням носіїв (при зворотній напрузі ). Дірки, що потрапили в колектор унаслідок екстракції (при малих ) або ударної іонізації, порушують електричну нейтральність області,

і це викликає приплив електронів від джерела , тобто проходження в зовнішньому колі колектора струму . Процес помноження носіїв у КП оцінюється коефіцієнтом помноження колекторного струму

. (6.8)

Важливо запам’ятати, що за нормальної роботи БТ М=1, струм називається керованим колектором струмом . Ця назва зумовлена тим, що чим більше дірок інжектуються емітером до бази, тим більша їх кількість екстрагує до колектора. Отже, струм пропорційний до емітерного струму

, (6.9)

де - статичний коефіцієнт передачі струму емітера. Оскільки , то .

З формули (6.9) випливає найважливіша властивість БТ: керування вихідним струмом можливе при зміні струму вхідного. З формули (6.9) означає, що , тому що електронний струм малий внаслідок слабкої легованості бази.

При деяких напругах на КП , коли в переході виникає явище пробою, коефіцієнт М зростає (М>1) і струм буде некерованим.

Через увімкнений у зворотному напрямі КП проходить дрейфовий струм неосновних носіїв, який називається зворотним струмом колектора . Цей струм проходить від “+” джерела через базу, КП, колектор до “-” . Оскільки напрям цього струму збігається з напрямом керованого колекторного струму , то можна записати для повного колекторного струму БТ в схемі зі спільною базою в активному режимі

, (6.10)

де - некерована складова колекторного струму в ССБ.

З рисунка 2.4 випливає, що загальний струм бази дорівнює

. (6.11)

Струм емітера для транзистора можна знайти, враховуючи, що він має складові та . Додавши і віднявши величину , одержимо

(6.12)

Враховуючи формули (6.10) та (6.11), з (6.12) врешті одержимо вираз першого закону Кірхгофа для струмів електродів БТ у довільній схемі ввімкнення:

. (6.13)

З рівнянь (6.13) та (6.10) випливає

. (6.14)

Порівнюючи формули (6.11) та (6.14), можна зробити висновок, що рекомбінаційна складова струму бази

. (6.15)

В активному режимі , тобто напрям базового струму визначається рекомбінаційною складовою.

4. Вплив конструкції та режиму роботи транзистора на .

З формули (6.9) при випливає, що

. (6.16)

Оскільки у нормальному режимі роботи транзистора М=1, то статичний коефіцієнт передачі струму емітера

. (6.17)

Для поліпшення керувальних властивостей БТ потрібно збільшувати і, отже, його співмножники та .

Ефективність емітера (коефіцієнт інжекції ) можна підвищити, як це випливає з (6.2), збільшенням і зменшенням . Це досягається виконанням умови , про що говорилось у п.6.1.1. При цьому діркова складова емітерного струму значно перевищує електронну і коефіцієнт інжекції досягає величини =0,995.

З метою збільшення коефіцієнта перенесення треба згідно з формулою (6.7), зменшити активну ширину бази або збільшити дифузійну довжину . Величину можна збільшити за рахунок зменшення ймовірності рекомбінації дірок, що можна здійснити при слабкому легуванні бази донорними домішками ( мала). Зменшення до величини дозволяє отримати коефіцієнт перенесення =0,995. На коефіцієнт впливає також співвідношення площ переходів . Чим більше це співвідношення , тим менше дірок розсіюється у базі і тим більша їх кількість потрапляє на КП.

Для сучасних БТ величина статичного коефіцієнта передачі струму емітера .

Значення коефіцієнта залежить також від струму емітера і від напруги .

Графік залежності показаний на рисунку 6.6. В області малих (ділянка I на рисунку 6.6) коефіцієнт

інжекції значно менший за одиницю, бо , і більшість дірок, інжектованих через ЕП, рекомбінують у базі з електронами.

Рисунок 6.6 – Залежність від струму емітера

При збільшенні (ділянка II) дифузійні струми зростають швидше, ніж рекомбінаційні, і коефіцієнт перенесення зростає, збільшуючи . При великих струмах емітера (ділянка III) значно зростає інжекційна електронна складова струму емітера за рахунок електронів джерела . Це приводить до зменшення частки діркового струму через ЕП, зменшується і, отже, коефіцієнт передачі транзистора .

Залежність визначають зміною (модуляцією) товщини бази (рисунок 6.7), а також лавинним множенням носіїв

Рисунок 6.7 – Залежність від напруги колектора

у КП під час пробою. При збільшенні товщина запірного шару КП збільшується в напрямі базової області, оскільки . Це супроводжується зменшенням активної ширини бази і, отже, збільшенням коефіцієнта перенесення за формулою (6.7). При деякій напрузі виникає пробій КП, лавинне помноження носіїв приводить до збільшення коефіцієнта М. Внаслідок цього, згідно з формулою (6.16), зростає і стає більшим за одиницю коефіцієнт передачі .