1.2.2. Физические процессы, протекающие в транзисторе, работающем в активном режиме

Рассмотрим работу бездрейфового транзистора, работающего в активном режиме.

Через эмиттерный переход происходит инжекция неосновных носителей в базу, поэтому на границе базы с эмиттерным переходом их концентрация выше равновесной. За счёт градиента концентрации эти носители переносятся к коллекторному переходу, работающему в режиме экстракции. Большинство носителей, инжектированных в базу, не успевают в ней рекомбинировать, и если её толщина , достигнув коллектора, втягиваются в него, создавая ток коллектора. Таким образом, ток коллектора создаётся за счёт тока эмиттера:

, (1.2.1)

 - коэффициент передачи тока эмиттера (h_21б в схеме с общей базой). I_кб0 - обратный ток коллекторного перехода при отключённом эмиттере, т.е. при I_э = 0:  <1, т.е. ток I_к - это часть тока I_э. Величина  учитывает потери в эмиттерном переходе, т.к. не весь ток эмиттера образуется за счёт инжекции основных носителей в базу, часть его образуется за счёт инжекции других носителей в эмиттер. Коэффициент инжекции

. (1.2.2)

А также происходят потери за счёт рекомбинации неосновных носителей на пути к коллектору. Коэффициент переноса:

. (1.2.3)

Чем тоньше база W, тем сильнее коэффициент переноса стремится к единице  1. Таким образом коэффициент передачи тока эмиттера можно записать как:

 = , (1.2.4)

где  коэффициент, стремящийся к единице.

Для того , чтобы 1, эмиттер легируют значительно сильнее, чем базу, поэтому область эмиттера - низкоомная, область базы - высокоомная.

Ток I_кб0 - неуправляемая часть коллекторного тока, невелик, зависит от температуры, т.к. определяется концентрацией неосновных носителей в области коллектора и базы.

Ток базы складывается из рекомбинированных в базе неосновных носителей, тока инжекции от базы к эмиттеру и тока I_кб0 :

(1.2.5)

Баланс токов (закон Кирхгофа) в транзисторе:

(1.2.6)

Ток базы мал: I_б << I_э, т.к. 1 (от 0,9 до 0,999), поэтому ток коллектора приблизительно равен току эмиттера: I_к  I_э.

1.2.3. Схемы включения, основные характеристики и параметры транзисторов

Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим для входа и выхода четырехполюсника, различают схему включения транзистора с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Полярность подключаемого внешнего источника зависит от типа транзистора.

1.2.3.1. Схема включения транзистора с общей базой (об)

На рис. 1.2.2. представлена электрическая схема включения транзистора с общей базой. В данном случае рассматривается n-p-n-транзистор. В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным — ток эмиттера.

Рис. 1.2.2 Схема включения транзистора с ОБ

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входными и выходными статическими ВАХ. Для транзистора, включенного по схеме с ОБ выходные характеристики - это семейство кривых при .

В упрощенной формуле I_к = I_э + I_кб0, по которой I_к вообще не зависит от U_кб, нужно добавить ещё одно слагаемое, учитывающее небольшой рост тока коллектора при увеличении U_кб за счёт расширения коллекторного перехода и соответствующего сужения базы:

, (1.2.7)

где r_к.диф - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, или

, (1.2.8)

где h_22б - выходная проводимость транзистора в схеме ОБ. На рис. 1.2.3 представлено семейство выходных характеристик.

Рис. 1.2.3. Выходные характеристики транзистора, включенного

по схеме с ОБ

Входные характеристики представляют семейство кривых , при , которые имеют экспоненциальный вид, т.к. на эмиттерный переход подается прямое напряжение. Его значение не превышает 0,4...0,5В для германия Ge, и 0,6-0,8В для кремния Si. Ток эмиттера в данном случае описывается следующим выражением:

, (1.2.9)

где - коэффициент передачи тока эмиттера, _I - коэффициент передачи тока коллектора в инверсном режиме, I_эб - тепловой ток эмиттерного перехода при I_к=0.

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения) являются коэффициенты усиления:

по току ;

по напряжению ;

по мощности ,

Рис. 1.2.4. Входные характеристики транзистора, включенного

по схеме с ОБ