17.2. Схемы включения биполярного транзистора и режимы его работы

При включении транзистора в схему один из его выводов делают общим для входной и выходной цепей, поэтому схемы включения бывают: с общей базой (ОБ) (рис. 17.3,а); с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 17.3,б); с общим коллектором (ОК) (рис. 17.3,в). Относитель­но общего вывода, на котором считают φ = 0, измеряют напряжения входной и выходной цепей транзистора. Наибольшее применение имеет схема включения с ОЭ. Схема включения с ОБ имеет ряд недостатков и используется реже. Физические процессы в транзисторе удобнее рассматривать на примере схемы с ОБ.

В зависимости от смещения, созданного на эмиттерном и кол­лекторном р-n-переходах, транзистор может работать в трех режимах. Если один переход смещен в прямом направлении, а другой — в обратном, режим называют активным (рис. 17.4, a). Если в прямом направлении включен эмиттерный переход, а коллекторный — в обрат­ном, такое включение называют нормальным (рис. 17.4, б). Если смеще­ние на p-n-переходах противоположное, включение называют инверсным (рис. 17.4, в). В последнем случае коллектор выполняет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора. Активный режим используется в усили­тельных схемах, в схемах генерирования, где транзистор выполняет функции активного элемента схемы. Если оба p-n-перехода смещены в обратном направлении, транзистор работает в режиме отсечки. Если оба p-n-перехода смещены в прямом направлении, транзистор работает в режиме насыщения. Режимы отсечки и насыщения используют в ключевых режимах работы транзистора: режим отсечки соответствует состоянию «отключено», режим насыщения — «Включено». На рис. 17.3 знаки потенциалов выводов даны для активного режима.

17.3. Работа биполярного транзистора в активном режиме

Рассмотрим работу на постоянном токе биполярного диффузион­ного сплавного транзистора со структурой р-n-р, включенного по схеме с ОБ в активном режиме (рис. 17.5). Сделаем ряд допущений: заряды распределены равномерно, поверхностные эффекты отсутствуют, реальный транзистор заменен одномерной моделью по оси х, перпенди­кулярной плоскости эмиттера (коллектора), толщина базы незначительна, эмиттер насыщен акцепторной примесью во много раз больше, чем база донорной примесью, коллектор по площади значительно больше эмиттера.

В активном режиме прямое смещение эмиттерного перехода создает­ся за счет включения постоянного источника питания U_ЭБ, а обратное смещение коллекторного перехода — за счет включения источника U_КБ. Величина U_ЭБ имеет небольшое значение, близкое к высоте потенциаль­ного барьера, и составляет доли вольт. Величина U_КБ на порядок больше U_ЭБ и ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода. При включении источников питания U_ЭБ и U_КБ потенциаль­ный барьер эмиттерного перехода снижается за счет U_ЭБ, а потенциаль­ный барьер коллекторного перехода повышается за счет U_КБ. Дырки эмиттера легко преодолевают понизившийся потенциальный барьер и за. счет диффузии инжектируются в базу, а электроны базы — в эмиттер. Дырки эмиттера диффундируют в базе в направлении к коллекторному переходу за счет перепада плотности дырок по длине базы, большинство из них доходит до коллекторного перехода, а незначительная часть рекомбинирует с электронами базы. Для умень­шения потерь дырок на рекомбинацию базу делают тонкой. Поскольку поле коллекторного перехода для дырок является ускоряющим, они втягиваются через коллекторный переход в коллектор, т. е. происходит экстракция дырок в коллектор. Распространяясь вдоль коллектора за счет перепада плотности вдоль коллектора, дырки дости­гают контакта коллектора и рекомбинируют с электронами, подходя­щими к выводу от источника.

Основные носители заряда кол-лектора (дырки), вследствие того что потенциальный барьер коллекторного перехода велик, практически не могут уйти из коллектора в базу. Через транзистор происходит сквозное движение дырок от эмиттера через базу к коллектору и лишь незначительная часть их из-за рекомбинации с электронами базы не доходит до коллектора. Часть электронов ба­зы, рекомбинировавших с дырками эмиттера, восполняется электро­нами источника, которые поступают в базу через ее вывод. Наряду с основными носителями заряда через эмиттерный и кол­лекторный переходы движутся и неосновные для каждой из областей транзистора носители. На работу транзистора существенно влияет дви­жение неосновных носителей через коллекторный переход: дырок базы — в коллектор и электронов коллектора — в базу. Их количество растет с повышением температуры (тепловая генерация). Оно зависит также от материала полупроводника.