3.2. Режимы работы биполярных транзисторов

В зависимости от полярности и величины напряжений на электродах различают четыре режима работы транзистора:

Активный режим (АР) — эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Режим отсечки (РО) — оба перехода смещены в обратном направлении.

Режим насыщения (РН) — оба перехода смещены в прямом направлении.

Инверсный режим (ИР) — коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный – в обратном направлении.

Связь режимов работы биполярного транзистора с включением переходов показана на (рис. 3.4).

Рис. 3.4

Классификация режимов проводится по комбинации напряжений переходов. В схеме с ОБ напряжения переходов равны напряжению источников питания эмиттера ( ) и коллектора ( ).

В схеме с ОЭ напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника , а напряжение коллекторного перехода зависит от обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов .

В схеме с ОК напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником , а напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников .

Правило знаков остается прежним.

3.3. Физические процессы в биполярном транзисторе в активном режиме

Принцип работы биполярного р-n-р-транзистора в активном режиме удобно рассматривать на примере схемы с ОБ, т.к. напряжения на переходах совпадают с напряжением источников питания (рис. 3.5), а направление движения дырок в транзисторе р-n-р совпадает с направлением тока.

Так как концентрация дырок в эмиттере значительно больше концентрации электронов в базе, наблюдается значительная инжекция электронов из базы в эмиттер.

Рис. 3.5

Это вызывает протекание дырочного и электронного токов инжекции. Полный прямой ток перехода : .

Полезным в сумме токов будет ток , т.к. он будет участвовать в создании коллекторного тока.

Составляющие , протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера , который показывает, какую долю в полном эмиттерном токе составляет полезный ток. На практике коэффициент инжекции оказывается близким к единице .

Инжектированные в базу из эмиттера дырки повышают концентрацию их в базе у эмиттерного перехода, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок, неосновных носителей базы. Этот градиент концентрации дырок обусловливает их диффузионный перенос через базу к коллекторному переходу. При этом имеет место частичная рекомбинация дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок , а коллекторный ток дырок, подходящих к коллекторному переходу , будет равен:

.

Потери на рекомбинацию в базе учитываются коэффициентом переноса ψ:

,

величина которого определяется шириной базы W_б, диффузионной длиной дырок в базовой области и близка к единице.

Поскольку концентрация электронов в базе значительно меньше концентрации инжектированных из эмиттера дырок, вероятность рекомбинации мала и, если диффузионная длина дырок в базе больше толщины базы W_б, основная часть дырок достигнет коллекторного перехода.

Под действием ускоряющего поля коллекторного перехода дырки попадают в коллекторную область, создавая коллекторный ток . Экстракция дырок может сопровождаться ударной ионизацией, лавинным умножением носителей зарядов в коллекторном переходе.

Процесс умножения носителей зарядов в коллекторном переходе оценивается коэффициентом умножения коллекторного тока:

,

где – полный управляемый ток через коллекторный переход.

В плоскостных транзисторах обычного типа .

Тогда , (3.1)

где – это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую , которая протекает в цепи коллектор – база при (обрыв цепи эмиттера) и не зависит от тока эмиттера. Этот неуправляемый ток коллектора по своей природе аналогичен обратному току полупроводникового диода и называется обратным током коллектора.

Итак, полный ток коллектора . (3.2)

Так как , (3.3)

– статический коэффициент передачи тока эмиттера для схемы с общей базой. Для современных транзисторов величина достигает и больше. Обратный ток коллектора в цепи базы направлен навстречу току , поэтому общий ток базы можно определить:

.

По закону Кирхгофа для общей точки (рис. 3.5):

. (3.4)

Откуда: , или с учетом (3.4) получим:

. (3.5)

Направление тока базы зависит от соотношения между слагаемыми в уравнении (3.5). В активном режиме .

Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т.е. транзистор обладает усилительным эффектом.

В схеме с ОЭ управляющим током будет ток базы. Так как , то ток коллектора запишем в виде:

Обозначим – коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ; – неуправляемая часть тока коллектора в схеме с ОЭ.

Тогда , (3.6)

где (3.7)

– ток коллектора при нулевом токе базы.

Для схемы с ОК выходным током является ток эмиттера. Поэтому:

.

Аналогично найдем статический коэффициент передачи тока для схемы с ОК:

. (3.8)

Связь эмиттерного и коллекторного переходов обеспечивается базовой областью, т.е. зависит от характера движения носителей в ней. В бездрейфовых транзисторах это движение имеет диффузионный характер и определяется градиентом концентрации носителей в базе, а в дрейфовых транзисторах зависит от имеющегося в базе электрического поля.