7.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой
На рис. 35 изображена одна из схем включения БТ – схема с общей базой. Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи, ток которого является алгебраической суммой контурных входного и выходного токов.
Рис. 35
Для изучения процессов в БТ наиболее удобен усилительный, или активный режим. Он создаётся двумя внешними напряжениями:
1) Uэб – входное напряжение, прямое для эмиттерного перехода;
2) Uкб– выходное напряжение, обратное для коллекторного перехода.
В открытом ЭП, благодаря прямому напряжению, снижаются φк и потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток основных носителей Iэ. При этом Iэ имеет электронную Iэn и дырочную Iэp составляющие. Так как концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, Iэn >> Iэp. Поэтому в ЭП наблюдается практически односторонний диффузионный ток свободных электронов в базу, так называемая инжекция.
Свободные
электроны в базе являются неосновными
носителями. Их больше вблизи ЭП, откуда
они поступают, поэтому в базе возникает
градиент концентрации
dn/dw
и неосновные носители диффундируют к
КП. КП
заперт напряжением Uкб,
поэтому его электрическое поле для
неосновных носителей – ускоряющее.
Благодаря этому они извлекаются из
базы в коллектор (экстракция).
Появляется полезный выходной ток Iк.
Так как база тонкая и слаболегированная, при продвижении неосновных носителей через базу только небольшая их часть рекомбинирует с основными носителями базы (не более 1…2%). В противном случае наблюдалось бы значительное уменьшение выходного тока Iк.
Рекомбинация в базе несколько уменьшает концентрацию её основных носителей — дырок. Электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной примеси. Этот заряд создаёт так называемый рекомбинационный ток в выводе базы Iб рек. Еще одна составляющая тока базы легко обнаруживается при разорванной цепи эмиттера. Тока в ЭП и инжекции при этом нет. В КП протекает небольшой по величине обратный ток коллектора Iкб0, создаваемый обратным напряжением Uкб.
Таким образом, в указанном режиме в БТ действительны следующие соотношения токов:
Iэ = Iк + Iб (закон Кирхгофа для БТ, рассматриваемого как узел цепи) (36)
Iк = α Iэ + Iкб0 (37)
Iб = Iб рек – Iкб0 (38)
Эти уравнения называют основными уравнениями БТ в схеме с общей базой.
В кремниевых транзисторах, наиболее распространённых сегодня, Iкб0 пренебрежимо мал. Поэтому из (37) следует: α = Iк / Iэ. Коэффициент передачи эмиттерного тока транзистора в схеме включения с общей базой α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением
,
(39)
где Rн –сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи;
rэ - сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое.
Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), Rн может на несколько порядков превышать rэ. Поэтому, согласно (39), Кp может достигать многих тысяч раз.
На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции.
Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции
,
(40)
где Iэn – полезный ток инжекции;
Iэр – бесполезный встречный дырочный ток;
Nэ и Nб – концентрация примесей в базе и эмиттере.
Увеличивая Nэ, можно получить γ = 0,999 и более.
Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса κ, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:
κ = IK / IЭn (41)
Этот коэффициент тем ближе к максимальному значению κ = 1, чем тоньше база и меньше в ней концентрация примесей.
Пренебрегая дырочной составляющей эмиттерного тока, умножив (40) на (41) получим:
(42)