лекции прохоров

n-переходу складової дрейфового струму, створюваної неосновними носіями заряду областей, струм емітерного переходу і кола емітера можна записати у вигляді

Iе=Iеp+Iеn.

Дірчаста складова струму Iер створюється потоком дірок, перехідних з емітера в базу. Більшість дірок в подальшому досягає колектора і викликає струм колектора транзистора. Електронна складова струму Iеп обумовлена рухом електронів з бази в емітер. Вона замикається по вхідному колу через джерело UЕБ і не використовується корисно (для створення струму в колі колекто-

ра). Таким чином, функція емітерного переходу і процеси в емітерному переході зводяться до інжекції носіїв заряду (дірок) в базу.

Одним з найважливіших показників емітерного переходу є так званий ко-

ефіцієнт інжекції γ, що показує, яку частину від повного емітерного струму має складова, забезпечуюча інжектування зарядів в область бази. Для даного випадку коефіцієнт інжекції визначиться з виразу :

γ=Iер / Iе .

Зпогляду якості емітерного переходу необхідно, щоб електронна складо-

ва емітерного струму Iеn була суттєво менше його дірчастої складової Iер. Це досягається значним (на два-три порядки) перевищенням концентрації основних носіїв заряду (дірок) в емітері над концентрацією основних носіїв заряду (електронів) в базі. Задача розв'язується вживанням високоомного початкового напівпровідника для створення базового шару і введенням великої концентрації акцепторної домішки для отримання емітерного шару. Для транзисторів, що випускаються промисловістю, коефіцієнт інжекції γ = 0,97÷ 0,995.

Процеси в базовому шарі визначаються в основному поведінкою дірок, що перейшли в базу через емітерний перехід. Інжектіруємиє дірки, потрапляючи в базовий шар, підвищують концентрацію дірок поблизу емітера в порівнянні з рівноважною концентрацією pn0. На межі з емітерним переходом створюється концентрація дірок pn(0). Під дією концентрації pn(0) розвивається дифу-

51

зійний рух дірок в базі у бік колектора, тобто у напрямі меншої концентрації. Концентрація дірок в базі на межі з переходом колектора встановлюється близькою до нуля, оскільки що дійшли до переходу колектора під дією дифузії дірки швидшають полем переходу і перекидаються в колектор.

Наявність дірок і електронів в базі призводить до того, що в процесі дифузії деяка частина дірок рекомбинирует з електронами. В результаті актів рекомбінації кількість дірок, що дійшли до колектора, не буде рівна кількості дірок, що поступили з емітера, і отже, дірчаста складова струму колектора Iкр буде менше дірчастою складовою емітерного струму Iер. Унаслідок рекомбінації деякого числа дірок з електронами в процесі їх руху через базу концентрація дірок зменшується, що приводить до зменшення їх градієнта концентрації по осі x і деякій відмінності кривий pn(x) від лінійного закону.

Разом з тим акти рекомбінації з електронами створюють недолік електронів, потрібних для компенсації дірок, постійно що входять в базу з емітера. Необхідні електрони поступають по колу бази, створюючи базовий струм транзистора Iбр. Отже, різниця між дірчастими складовими емітерного і колектора струмів є струмом бази, обумовленим рекомбінацією в ній дірок. Відповідно до цього для дірчастих складових струмів транзистора маємо

Iер=Iкp+Iбp .

Для визначення частини дірок, що пройшли з емітера в колектор, вводять поняття коефіцієнта перенесення дірок в базі δ, яке рівне відношенню дірчастої складової струму колектора до дірчастої складової емітерного струму:

δ = Iкp / Iеp .

Типові значення коефіцієнта δ для транзисторів знаходяться в межах 0,96

÷ 0,996. Способи наближення до одиниці коефіцієнта δ направлені на скорочення втрат дірок в базі за рахунок актів рекомбінації. Це досягається збільшенням часу життя дірок в базі і скороченням часу їх знаходження в базі. Скорочення часу знаходження дірок в базі пов'язано із зменшенням товщини базового шару і збільшенням швидкості їх проходження через базу. Останнє використовується в так званих дрейфових транзисторах шляхом створення в

52

шарі бази прискорюючого поля.

Струм колектора транзистора Iк, обумовлений дірчастої складової Iкp, по-

в'язаний із струмом емітера Iе коефіцієнтом передачі струму α :

Отже, коефіцієнт α тим ближче до 1, чим менше відрізняються від 1 коефіцієнти γ і δ, для чого застосовуються наступні способи:

−збільшення різниці концентрації основних носіїв заряду в слоях емітера

ібази;

−збільшення часу життя дірок в базі;

−зменшення ширини базового шару;

−створення прискорюючого поля в шарі бази..

Наявність переходу колектора, включеного у зворотному напрямі, приводить до появи додаткової некерованої складової струму колектора, обумовленої протіканням зворотного струму переходу колектора. Зворотний струм створюється дрейфом неосновних носіїв заряду з довколишніх областей назад включеного p-n-переходу, в дано-

складових: Iе= Iер + Iеп. Струм колектора Iк складається з дірчастої складової Iкр і теплового струму Iко ( Iк= Iкр+ Iко ). Струм бази Iб рівний сумі алгебри електронної складової струму емітера Iеп, рекомбінаційної дірчастої складової Iбр і теплового струму Iко ( Iб= Iеп+Iбр - Iко).

Управляюча властивість транзистора, що характеризує зміну вихідного (колектора) струму Iк під дією вхідного струму Iе (або напруги Uе), що підводиться, обумовлюється зміною дірчастої складової

струму колектора Iкр за рахунок зміни дірчастої складової емітерного струму Iер

. Таким чином, принцип дії біполярного транзистора заснований на створенні транзитного (проходячого) потоку носіїв заряду з емітера в колектор через базу і управлінні струмом колектора (вихідним) за рахунок зміни емітерного (вхідного) струму. Таким чином, біполярний транзистор управляється струмом.

Основне співвідношення для струмів транзистора складається по першому закону Кирхгофа:

З урахуванням теплового струму Iко струми Iк і Iб можна виразити через Iе:

Iб = (1 - α ) ·Iе − Iко .

3.4 Схеми включення і статичні характеристики біполярних транзисторів

Транзистор можна представити чотириполюсником і виділити в ньому вхідне і вихідне коло. При цьому один з виводів є вхідним затиском відповідно вхідному колу, а другий - вихідним затиском вихідного кола. Загальним затиском є третій вивід. Можливі три схеми включення транзистора: із загальною базою (ЗБ) (рис. 3.5 а), із загальним емітером (ЗЕ) (рис. 3.5 б), із загальним колектором (ЗК) (рис.3.5 в).

54

шару, тобто відбувається зменшення товщини базового шару а значить росте градієнт концентрації дірок в базі і струм емітера Iе . Це приводить до зменшення актів рекомбінації дірок з електронами в базі, а значить до збільшення коефіцієнта α і струму Iк . Одночасно із зростанням Uкб відбувається також збільшення Uеб, що пояснюється зміною концентрації дірок на межі переходу з базою унаслідок модуляції бази. Можна вважати, що модуляція бази створює внутрішній зворотний зв'язок по напрузі в транзисторі.

Вихідні характеристики транзистора в схемі з ЗБ відображають залежність струму колектора Iк від напруги на колекторі щодо бази Uкб при фіксованому струмі емітера Iе : Iк=F (Uкб) при Iе=const (рис. 3.7).

Вольт-амперні характеристики мають 3 характерні області: 1- сильна залежність Iк від Uкб (нелінійна початкова область); 2- слабка залежність Iк від Uкб (лінійна початкова область); 3- пробій переходу колектора.

Iк

Iе3

Iе2

Iе1

Iе= 0

Uкб

0

Рисунок 3.7

Ділянка 1 - при Uкб= 0 Iк ≠ 0 і дірки перекидаються в колектор з бази під дією внутрішньої різниці потенціалів φк . Якщо включити перехід колекторбаза в прямому напрямі, тобто перевести його в режим інжекції носіїв заряду, то потоки дірок через перехід колектора компенсуватимуться.

Ділянка 2 - для характеристики Iб= 0 залежністі вітка вольт-амперної характеристики Iк=F (Uкб) є вітка вольт-амперної характеристики діода при зворотному включенні. Деяке зростання струму Iк на вихідних характеристиках при

56

підвищенні напруги Uкб унаслідок збільшення коефіцієнта α за рахунок ефекту модуляції бази характеризується диференціальним опором переходу колектора rк(б), який може бути знайдене з характеристик колекторів як відношення приростів напруги і струму. Для малопотужних транзисторів величина rк(б) складає

0,5 – 1 Мом.

В області 2 вихідні характеристики практично лінійні і залежність можна представити у вигляді

Наявність складової Iко у виразі є однією з головних причин температу-

рної залежності вихідних (колекторів) характеристик транзистора. Вплив температури приводить до зміни струму Iко і зсуву характеристик вгору при підвищенні температури (пунктирні лінії на рис.3.7) і вниз при її зниженні. Така ж дія на характеристики колекторів надає і залежність від температури коефіці-

єнта α. Це обумовлено тим, що в робочому діапазоні температур спостеріга-

ється деяке збільшення коефіцієнта α. із зростанням температури.

При розгляді вихідних характеристик

α

слід враховувати, що коефіцієнт α. залежить від величини Iе (рис. 3.8). Показана залежність при рівних приростах струму Iе приво-

дить до більш густого того, що розташовує

Iе

при малих і великих струмах Iе і більш рідкісного - при проміжних значеннях.

Збільшення коефіцієнта α і досягнення ним максимального значення із зростанням актів рекомбінації дірок в базі із зростанням вхідних в неї дірок, тобто підвищенням коефіцієнта перенесення δ, при збільшенні струму Iе . Після досягнення максимуму подальше зменшення коефіцієнта передачі струму α обумовлюється зменшенням коефіцієнта інжекції γ із зростанням струму Iе .

Ділянка 3 - відбувається зростання Iк унаслідок електричного пробою, який може перейти в тепловій .

57

Схема з загальним емітером

Вхідні характеристики транзистора ві-

При Uке<0 струм бази складає малу частину струму емітера. При певній величині Uбе подача напруги Uке<0 викликає зменшення струму Iб, тобто зсув вниз характеристик щодо кривої із значенням Uке=0. Подальше збільшення абсолютної величини Uке також зміщує характеристики до осі абсцис унаслідок зменшення струму Iб через ефект модуляції бази.

В струмі Iб присутня складова Iко. Тому при Uке<0 вхідні характеристики виходять з точки з негативним значенням струму бази, рівним Iко.

Вихідні характеристики транзистора в схемі ЗЕ визначають залежність струму колектора Iк = F(Uке) при Iб = const (рис. 3.10).

Iб2= 0

0

Рисунок 3.10

58

Тут, як і для схеми з ЗБ, можна виділити три характерні області: 1 - початкова область;

2 - відносно слабка залежність Iк від Uке; 3- пробій переходу колектора.

На відміну від відповідних характеристик в схемі з ЗБ, характеристики колекторів транзистора з ЗЕ починаються на початку координат і ділянка 1 розташовується в першому квадранті. При Uке= 0 напруга на переході колектора рівна Uбе, перехід колектора відкритий і інжектує дірки в базу. Потоки дірок через перехід (від колектора в базу і від емітера в колектор) колектора взаємно врівноважуються і струм Iк ≈ 0. У міру підвищення Uке в області 1 пряма напруга на переході колектора знижується, його інжекція зменшується і струм Iк зростає. На межі з областю 2 пряма напруга знімається з переходу колектора і в області 2 на переході діє зворотна напруга. Точці переходу від області 1 до області 2 відповідає напруга Uке порядку 0,5-1,5 В.

Для отримання характеристик колекторів в області 2 в аналітичній формі виразимо у виразі (2) струм Iе через Iб и Iк відповідно до формули (2). Після заміни Uкб на Uке одержимо:

Якщо для транзисторів коефіцієнт α = 0,9 ÷ 0,99, то коефіцієнт β = 9 ÷ 99. Іншими словами, транзистор в схемі ЗЕ дає посилення по струму. Це є найважливішою перевагою включення транзистора по схемі ЗЕ, ніж, зокрема, визначається більш широке практичне вживання цієї схеми включення в порівнянні з схемою ЗБ.

60