3. Способи включення та режими роботи бiполярного транзистора

При включеннi транзистора в схему один з його електродiв вважається вхiдним, другий – вихiдним, а третiй – спiльним. На вхiдний i вихiдний електроди транзистора подаються вiд зовнiшнiх джерел напруги, якi вимiряються вiдносно спiльного електрода. В залежностi вiд способу включення транзистора розрiзняють схеми: з спiльною базою СБ (рис. а), з спiльним емiтером СЕ (рис. б) i з спiльним колектором СК (рис. в).

Полярнiсть i величина напруг електродiв визначають такi основнi режими роботи транзистора: вiдсiчки, активний, насичення, iнверсний, лавинного множення.

В режимi вiдсiчки обидва р-n-переходи транзистора включаються в зворотному напрямку. При цьому запираючi шари на межах р- i n-областей розширюються i їх опори для основних носiїв збiльшуються. Внаслiдок цього через р-n-переходи протiкають зворотний струм колектора I_кбо i емiтера I_ебо, зумовленi рухом неосновних носiїв зарядiв i пропорцiональнi їх концентрацiї i площi р-n-переходiв. Цi струми I_кбо i I_ебо малi, тому що концентрацiя неосновних носiїв невелика.

У сплавних транзисторiв, як правило, площа емiтерного р-n-переходу значно менша площi колекторного р-n-перехода i виконується умова I_кбо>>I_ебо. Для дифузiйних транзисторiв ця нерiвнiсть часто не виконується. Маючи на увазi малi значення струмiв I_кбо i I_ебо, можна вважати, що в режимi вiдсiчки транзистор знаходиться в закритому станi.

В режимi насичення емiтерний i колекторний р-n-переходи включаються в прямому напрямку. При цьому виникає iнжекцiя дiрок з емiтера в базу i з колектора в базу. В базi вiдбувається накопичення неосновних нерiвноважних носiїв зарядiв, а через переходи течуть великi струми насичення I_кн i I_ен, якi визначаються рухом основних носiїв р-областей.

В активному режимi емiтерний р-n-перехiд включається в прямому напрямку, а колекторний – в зворотному. Таке включення транзистора вважають нормальним. В цьому випадку в колi емiтера тече струм, зумовлений iнжекцiєю дiрок з емiтера в базу, а в колi колектора тече струм колектора, величина якого залежить вiд струму емiтера. Якщо пiд дiєю зовнiшнiх напруг колекторний р-n-перехiд включається в прямому напрямку, а емiтерний в зворотному, то включення транзистора називають iнверсним.

Режим лавинного множення вiдповiдає пробою колекторного р-n-перехода i характеризується рiзким зростанням колекторного струму.

3.1. Принцип дiї бiполярного транзистора в активному режимi

Для з'ясування принципа дiї бiполярного транзистора необхiдно розглянути фiзичнi процеси, якi вiдбуваються на емiтерному i колекторному р-n-переходах, а також в базi сплавного транзистора в активному режимi. На рис. показано включення транзистора з спiльною базою в активному режимi. Активний режим при цьому забезпечується вiдповiдною полярнiстю напруг на емiтерi U_еб i на колекторi U_кб вiдносно бази.

Процеси в емiтерному переходi. Включення емiтерного р-n-переходу в прямому напрямку супроводжується iнжекцiєю дiрок з емiтера в базу i електронiв з бази в емiтер. Це з умовлює протiкання через емiтерний р-n-перехiд дифузiйних струмiв: дiркового І_ер i електронного І_еп. Тому в зовнiшньому колi тече струм емiтера

. (1.1)

Спiввiдношення мiж складовими струму емiтера оцiнюється коефiцiєнтом iнжекцiї

. (1.2)

Процеси в базi транзистора. Внаслiдок iнжекцiї концентрацiя дiрок в базi пiдвищується i залежить вiд напруги емiтерного перехода. Концентрацiя iнжектованих в базу дiрок на межi емiтерного переходу визначається виразом:

. (1.3)

де – концентрацiя рiвноважних дiрок в базi бiля емiтерного переходу (при x=0).

Таким чином, в результатi iнжекцiї дiрок з емiтера концентрацiя неосновних носiїв (дiрок) в базi поблизу емiтерного переходу змiнюється i може значно перевищувати рiвноважну.

Розподiл неосновних носiїв в базi транзистора в усталеному режимi визначається за допомогою рiвняння неперервностi.

. (1.4)

Вiзьмемо початок координат на межi бази з емiтерним переходом. Граничнi умови задачi в цьому випадку при х=0 визначаються формулою (1.3), а при – виразом

. (1.5)

Якщо пiд знак частинної похiдної ввести постiйну складову , то рiвняння (1.4) можна представити у виглядi лiнiйного диференцiального рiвняння другого порядку без правої частини

. (1.6)

Рiшення рiвняння (1.6) при умовi ω << L_р має вигляд

. (1.7)

Вираз (1.7) показує, що в бездрейфовому транзисторi градiєнт концентрацiї неосновних носiїв в базi являється незмiнним, тобто не залежить вiд координати, а розподiл концентрацiї дiрок в базi має лiнiйний характер, як показано на рис. З цього рисунку i формул (1.3) i (1.7) видно, що градiєнт концентрацiї дiрок буде рiзним при рiзних напругах U_еб, тобто рiзних р_бе. Пiд дiєю градiєнту концентрацiї вiдбувається дифузiйний рух iнжектованих дiрок через базу вiд емiтера до колектора. Частина дiрок рекомбiнує в базi з електронами i внаслiдок цього не досягає колекторного переходу. На мiсце рекомбiнуючих електронiв в базу з зовнiшнього кола вiд джерела U_еб поступають електрони, якi утворюють струм бази рекомбiнацiї І_{б рек}.

Д iрки, якi досягли колекторного переходу, утворюють струм І_кр, який в результатi процесiв рекомбiнацiї в базi менше струму І_ер. Процес переносу неосновних нерiвноважних носiїв через базу оцiнюється коефiцiєнтом переносу ξ, який визначаїться вiдношенням I_кр до І_ер. Аналiз показує, що значення ξ, залежить вiд ширини бази ω i дифузiйної довжини дiрок i визначається з умови

. (1.8)

Процеси в колекторному переходi. Дiрки, якi iнжектованi з емiтера в базу i досягли колекторний р-n-перехiд, потрапляють в його прискорююче поле i перекидаються (екстрагуються) в колекторну р-область. Екстракцiя дiрок може супроводжуватися ударною iонiзацiєю атомiв напiвпровiдника i лавинним розмноженням носiїв зарядiв. Дiрки, якi потрапили в колектор внаслiдок екстракцiї i ударної іонiзацiї, порушують його електронейтральнiсть, що визиває притiк електронiв вiд джерела U_кб.

Рух цих електронiв визначає протiкання струму в колi колектора. Процес розмноження носiїв зарядiв в колекторному переходi оцiнюється коефiцiєнтом множення колекторного струму

. (1.9)

Чим бiльше дiрок iнжектується емiтером, тим бiльша кiлькiсть їх екстрагує в колектор, що приводить до зростання колекторного струму. Отже, струм пропорцiональний струму емiтера i тому зветься струмом колектора, який управляється. Можливiсть управлiння вихiдним струмом транзистора змiною вхiдного струму є важливою властивостю бiполярного транзистора, яка дозволяє використовувати його як активний елемент рiзних радiоелектронних схем.

Управляючi можливостi транзистора характеризуються так званим статичним коефiцiєнтом передачi струму емiтера α, який визначається як вiдношення струму колектора, який управляється, до повного струму емiтера

. (1.10)

Отже, чим ближче значення до одиницi, тим краще транзистор. При розглянутiй полярностi включення зовнiшнього джерела U_кб його напруга є зворотною для колекторного р-n-переходу. Тому дифузiйний струм через колекторний перехiд зменшується, а дрейфовий струм, зумовлений неосновними нерiвноважними носiями бази та колектора, i направлений з бази в колектор, збiльшується.

Природа цього струму аналогiчна природi зворотного струму напiвпровiдникового дiода, внаслiдок чого вiн одержав назву зворотного струму колектора I_кбо. Цей струм тече вiд джерела U_кб через базу, колекторний перехiд, колектор i на джерело U_кб.

Напрямок зворотного струму колектора спiвпадає з напрямком колекторного струму, який управляється, i, отже,

. (1.11)

Зворотний струм колектора в колi бази тече назустрiч струму I_{б рек}. В цьому випадку загальний струм бази визначається як

. (1.12)

Струм емiтера транзистора є сумою трьох складових: 2І_е, І_{б рек} і І_еn.

Щоб знайти струм I_е, необхiдно скористуватися таким вiдношенням

. (1.13)

Якщо врахувати рiвняння (1.11) i (1.12), рiвнiсть (1.13) набуває вигляду

I_е = I_б + I_к. (1.14)

Це рiвняння зв'язує струми транзистора i справедливе для любої схеми включення. З рiвнянь (1.11) i (1.14) слiдує

. (1.15)

Напрямок струму бази залежить вiд спiввiдношень мiж складовими рiвняння (1.15). Звичайно в активному режимi

.