Твердотельная електроника / TTE_Lect1

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 IE за рахунок інжекції дірок з емітера до бази, а

колекторний струм IK 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 p областях, пунктирними стрілками – електронні струми в базі.

61

При полярності напруги UЕБ , 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

де n0 - 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 ( x ) знаходять за виразом

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 UЕБ . 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 UЕБ надходять нові електрони, створюючи рекомбінаційну складову струму бази IБрек .

Рисунок 6.5 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ, що працює в активному режимі

Дірки, що досягли КП, створюють колекторний дірковий струм

IKP , причому внаслідок рекомбінації в базі IKP IEP . Процес

перенесення неосновних носіїв через базу під дією градієнта концентрації характеризується коефіцієнтом перенесення,

супроводжуватись ударною іонізацією атомів НП і, як наслідок,

помноження носіїв у КП оцінюється коефіцієнтом помноження колекторного струму

З формули (6.9) випливає найважливіша властивість БТ: керування вихідним струмом можливе при зміні струму вхідного. З

формули (6.9) означає, що IE IEP , тому що електронний струм IEN

малий внаслідок слабкої легованості бази.

При деяких напругах на КП UKБ UKБпроб , коли в переході виникає явище пробою, коефіцієнт М зростає (М>1) і струм IK IKP

буде некерованим.

Через увімкнений у зворотному напрямі КП проходить дрейфовий струм неосновних носіїв, який називається зворотним

струмом колектора IKБ0 . Цей струм проходить від “+” джерела UKБ

через базу, КП, колектор до “-”UKБ . Оскільки напрям цього струму

64

збігається з напрямом керованого колекторного струму IKкер , то можна

записати для повного колекторного струму БТ в схемі зі спільною базою в активному режимі

де IKкер IKнекер - некерована складова колекторного струму в ССБ.

З рисунка 2.4 випливає, що загальний струм бази дорівнює

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

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

струму визначається рекомбінаційною складовою.

1.1.4Вплив конструкції та режиму роботи транзистора на

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

Для поліпшення керувальних властивостей БТ потрібно збільшувати h21Б і, отже, його співмножники та .

Ефективність емітера (коефіцієнт інжекції ) можна підвищити, як це випливає з (6.2), збільшенням IEP і зменшенням IEN .

Це досягається виконанням умови NAE NДБ , про що говорилось у п.6.1.1. При цьому діркова складова емітерного струму IEP значно перевищує електронну IEN і коефіцієнт інжекції досягає величини

=0,995.

Зметою збільшення коефіцієнта перенесення треба згідно з формулою (6.7), зменшити активну ширину бази або збільшити

дифузійну довжину LP . Величину LP можна збільшити за рахунок зменшення ймовірності рекомбінації дірок, що можна здійснити при слабкому легуванні бази донорними домішками ( NДБ мала).

Зменшення до величини 0,1LP дозволяє отримати коефіцієнт перенесення =0,995. На коефіцієнт впливає також співвідношення площ переходів ПКП / ПЕП . 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 h21Б 0.99.

Значення коефіцієнта h21Б залежить також від струму емітера

дірок, інжектованих через ЕП, рекомбінують у базі з електронами.

66

Рисунок 6.7 – Залежність h21Б від напруги колектора

67

у КП під час пробою. При збільшенні UKБ товщина запірного шару КП збільшується в напрямі базової області, оскільки NAK NДБ . Це супроводжується зменшенням активної ширини бази і, отже,

збільшенням коефіцієнта перенесення за формулою (6.7). При деякій

напрузі UKБ UКБпроб 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 h21Б .

6.1.5 Схема вмикання транзистора зі спільним емітером та спільним колектором

Схему БТ зі спільною базою докладно розглянуто у п. 6.1.3. Розглянемо тепер особливості й основні кількісні співвідношення для схем зі спільним емітером (ССЕ) та спільним колектором (ССК).

Схема зі спільним емітером.

БТ у названій схемі вмикання показано на рисунку 6.8 для випадку активного режиму. Фізичні процеси в транзисторі аналогічні

Рисунок 6.8 – Струми БТ у схемі зі спільним емітером

68

до процесів у ССБ. Під дією напруги в колі емітера проходитьUБE , в

колі емітера проходить струм IE . У базі цей струм розгалужується. Основна його частина йде до колектора, створюючи керовану складову вихідного струму. Друга, менша частина струму IE , йде в коло бази, створюючи струм бази рекомбінації. Назустріч струму рекомбінації через базу проходить зворотний струм колектора IKБ0 . Таким чином,

вираз (6.10) є справедливим і для цієї схеми. Але оскільки вхідний струм в ССЕ є струм бази IБ , то потрібно одержати залежність IК від

IБ . З цією метою до формули (6.10) потрібно підставити значення IE з формули (6.13). Одержимо

З формули (6.20) випливає, що ССЕ струм колектора має керовану складову h21E IБ , що залежить від вхідного струму, і

некеровану IKE0 (1 h21E )IКБ0 .

Коефіцієнт пропорційності h21E , який установлює зв’язок між керованою складовою IK і струмом бази, називають статичним коефіцієнтом передачі базового струму. При значеннях h21Б =0,95-0,99

становлять відповідно 19-99.

69

Переваги ССЕ:

1)високий статичний коефіцієнт передачі вхідного струму h21E h21Б - добрі підсилювальні властивості БТ у схемі зі спільним емітером;

2)значно більший вхідний опір ССЕ порівняно з ССБ, оскільки при

однакових вхідних напругах UЕБ UБЕ струм бази IБ значно

менший ніж струм емітера IЕ (див.(6.14)).

Недоліком схеми зі спільним емітером є те, що некерована складова її колекторного струму в (1 h21E ) разів більша, ніж в ССБ, оскільки

Рисунок 6.9 – Струми БТ у схемі зі спільним колектором

Позначаючи

70