3.2. Принцип действия биполярного транзистора в различных режимах

Для того, чтобы транзистора работал в режиме усиления сигналов, ключевом режиме и т.п. (см. ниже), необходимо предварительно подключить его контакты к источникам цепи питания (рис. 3.1, 3.2). Другими словами, необходимо подготовить транзистор к работе, подав на его выводы Э, Б, К необходимые постоянные потенциалы. Только в этом случае, можно будет использовать транзистор для дальнейшей работы, подавая, например, переменное входное напряжение u_вх на Вход схемы, и снимая переменное выходное напряжение u_вых с контакта Выход, как это показано на схеме, приведенной на рис. 3.2, а.

Рассмотрим возможные схемы подключения постоянных напряжений (потенциалов) между выводами транзистора и режимы работы, которые реализуются при различных вариантах подключения.

3.2.1. Схемы включения и режимы работы

Существуют три схемы (способа) включения транзистора, в зависимости от того, какой вывод транзистора (Э, Б или К) является общим для входной и выходной цепи (рис. 3.2, а–в). В связи с этим различают схемы: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Подчеркнем, что тип транзистора (n-p-n или p-n-p) при выборе способа включения роли не играет.

а) б) в)

Рис. 3.2. Схемы включения транзисторов: ОБ (а), ОЭ (б), ОК (в)

Один и тот же транзистор в зависимости от полярности внешних постоянных ЭДС, приложенных (через контакты Э, Б, К) к эмиттерному и коллекторному переходам, может работать в четырех режимах работы, которые определяют области и особенности его применения.

В активном (нормальном) режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный  закрыт. Транзистор может работать, как элемент схемы, управляемый переменным входным сигналом.

При режиме отсечки полярность приложенных внешних источников такова, что эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении, т.е. оба перехода закрыты, и через транзистор протекает малый обратный ток, измеряемый в микроамперах или единицах миллиампер. Этот режим соответствует закрытому состоянию транзистора. Для анализа работы многих схем большое значение имеет большая величина электрического сопротивления закрытого транзистора, измеряемая между контактами Э и К.

В режиме насыщения (двойной инжекции) оба перехода смещены в прямом направлении, открыты и через них протекает большой ток, ограничиваемый сопротивлением нагрузочного резистора во внешней цепи источника питания. Транзистор открыт и насыщен, а его сопротивление (между контактами Э и К) крайне мало.

Инверсный режим характеризуется тем, что эмиттерный переход закрыт, а коллекторный открыт.

3.2.2. Принцип действия транзистора и его статические параметры

Рассмотрим принцип действия БТ на примере транзистора со структурой типа p-n-p, подключенного к источникам питания по схеме с общей базой (рис. 3.2, а; 3.3).

Рис. 3.3. Диаграмма составляющих токов в p-n-p-транзисторе в активном режиме

Известно (см. п. 2.1), что в отсутствие внешних напряжений на границах раздела слоев полупроводников с различным типом проводимости образуются неподвижные объемные заряды (ионы доноров и акцепторов). Эти заряды ионов создают соответственно направленные внутренние электрические поля, так что между слоями действует внутренняя разность потенциалов. В транзисторе имеются два p-n-перехода П₁ и П₂ (рис. 3.1, а, б; 3.3) с толщиной l_э и l_к. В каждом из переходов устанавливается потенциальный барьер, обеспечивающий равенство диффузионного и дрейфового потоков носителей заряда, движущихся через переходы в противоположных направлениях.

Другими словами, суммарные токи, протекающие через переходы в отсутствие внешних напряжений, равны нулю.

Допустим, что транзистор работает в активном режиме, для реализации которого внешние источники ЭДС подключают к контактам транзистора таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П₁ в прямом направлении, а коллекторного П₂ – в обратном направлении. Это достигается (рис. 3.2, 3.3) с помощью двух источников ЭДС (Е_э и Е_к), обеспечивающих наличие постоянных напряжений: U_эб  между эмиттером и базой, U_кб  между коллектором и базой. Источник ЭДС Е_э подключается положительным полюсом к эмиттеру относительно базы (для простоты,  данного источника общий), а источник ЭДС Е_к – отрицательным полюсом к коллектору относительно базы (+ источника общий).

Ток эмиттера

Поскольку в эмиттерном переходе П₁ внешнее напряжение U_эб действует в прямом направлении, то потенциальный барьер в области p-n-перехода для дырок (основные носители заряда в объеме p-области  эмиттерного слоя) – уменьшается. Следовательно, дырки из области эмиттерного слоя за счет диффузионного движения будут в большом количестве переходить (инжектироваться) в область n-базы, создавая ток I_эр, направленный вправо (рис. 3.3). Аналогичным образом увеличится диффузионный поток электронов (основные носители заряда в n-базе) из базы в р-эмиттер, создавая электронную составляющую I_бn (направленную вправо) полного прямого тока I_э.

Заметим, что уход, например, дырок из объема эмиттера в объем базы вправо, заставляет (из-за электронейтральности) электроны в проводе, примыкающем к контакту Э, двигаться к источнику Е_э, и, значит, эмиттерный ток (десятки и сотни миллиампер) протекает от + источника к контакту Э.

Общий ток I_э, протекающий через контакт Э (цепь эмиттера), содержит две составляющие  дырочную и электронную:

I_э = I_эр + I_бn. (3.1)

С учетом последствий, связанных с различной степенью легирования объемов (см. главу 2), в частности, т. к. p_pэ  n_nб, в p-n-p-транзисторе дырочная составляющая тока I_эр эмиттера на несколько порядков больше, чем электронная составляющая тока I_бn эмиттера, так что I_э  I_эр.

Одним из важнейших показателей качества эмиттерного перехода является так называемый статический коэффициент инжекции , отражающий, какую часть от полного эмиттерного тока I_э составляет его основная дырочная составляющая I_эр:

 = I_эр/I_э. (3.2)

Важно, чтобы коэффициент инжекции  транзистора стремился к единице. Эту задачу решают, как отмечено выше, применяя слаболегированный высокоомный полупроводник для создания базового n-слоя, и, напротив, вводя большую концентрацию акцепторной примеси для получения низкоомного эмиттерного слоя. Для выпускаемых промышленностью биполярных транзисторов коэффициент инжекции  = 0,97…0,995.

Ток базы

Поток дырок, инжектированных из эмиттера в базу через эмиттерный переход П₁, разделяется на две неравные части. Основная часть этого потока дырок пересекает базу и, перейдя через коллекторный переход П₂, создает дырочную составляющую тока I_кр коллектора.

В процессе диффузии дырок через объем базы толщиной  некоторая часть из них исчезает, рекомбинируя с электронами n-базы.

К чему приводит отмеченный процесс рекомбинации? Поскольку часть электронов базы исчезает, рекомбинируя с дырками, то для компенсации исчезнувших электронов (для сохранения электронейтральности базы) в объем базы из примыкающего провода через контакт Б подтягиваются новые электроны. Поток этих электронов обуславливает появление малого тока рекомбинации I_брек, протекающего через контакт Б транзистора от источника Е_э.

Суммарный ток базы I_б, проходящий через контакт Б, обусловлен несколькими потоками носителей, уходящими или приходящими через переходы П₁ и П₂. Анализируя эти потоки (рис. 3.3), ток базы I_б можно выразить:

I_б = I_брек + I_бn  I_кn  I_бр = I_брек + I_бn  I_ко. (3.3)

В выражении (3.3) ток I_брек связан с незначительным числом дырок, переходящих в общем потоке дырок из эмиттера ртипа через прямо смещенный p-n-переход и рекомбинирующих с электронами в объеме n-базы. Ток I_бn обусловлен электронами базы, как основными носителями, уходящими через прямо смещенный переход из базы в эмиттер. Ток I_кn (направлен влево) связан с потоком электронов коллектора, как неосновных носителей, приходящих (втекающих) в базу из-за обратного смещения коллекторного перехода. Ток I_бр образуется дырками базы, уходящими в коллектор из-за обратного смещения коллекторного перехода.

Подчеркнем, что в данном режиме работы коллекторный p-n-переход смещен в обратном направлении. Значит, через p-n-переход П₂, объем коллектора, контакты Б и К протекает (вправо) тепловой ток I_ко обратно смещенного коллекторного перехода, равный

I_ко = I_бр + I_кn,

и связанный с дрейфом незначительного количества неосновных носителей дырок  из базы в коллектор (I_бр) и электронов  из коллектора в базу (I_кn).

С учетом малости всех слагаемых по сравнению с первым, уравнение (3.3) можно записать в виде