17.4. Токи биполярного транзистора

Проследим за движением дырок эмиттера в транзисторе. В эмиттере дырки создают ток I_Эр (рис. 17.6), а в коллекторе они представляют собой дырочную составляющую тока коллектора I_Кр, которая меньше тока I_Эр на ток, вызванный рекомбинацией дырок в базе и называе­мый базовым током рекомбинации I_Брек:

(17.1)

Поскольку назначение транзистора — усиление мощности входного сигнала, ток I_Брек является нежелательным, вследствие чего его стремятся уменьшать. Достигается это путем уменьшения толщины базы так, чтобы w ≤ L_p, где L_p — диффузионная длина дырок. Чем меньше толщина базы, тем большее число дырок достигнет коллекторного перехода и тем больше дырочная составляющая тока I_Кр. Потерю дырочного тока эмиттера на рекомбинацию в базе характеризует коэффициент переноса дырок

(172)

приближенное значение которого определяют из соотношения

Для германиевых транзисторов L_p = 0,3 мкм, поэтому обычно w ≤ 0,3 мкм. В реальных транзисторах β_n = 0,980 ÷ 0,995.

Через эмиттер помимо дырочного протекает и электронный ток I_Эn, обусловленный переходом в область эмиттера электронов базы, а также обратный ток эмиттерного перехода I_Эo, образованный не­основными носителями областей базы (дырками) и эмиттера (электро­нами). Этот ток называется термогенерацией. Его значение опреде­ляется так же, как и значение обратного тока коллектора I_Ко. Вслед­ствие того что I_Эо мал и не влияет на ток коллектора, им можно пренебречь. Таким образом, ток эмиттера

(17.3)

Составляющая тока эмиттера I_Эn замыкается в цепи база — эмиттер, не протекает через коллектор и является вредной, вызывая допол­нительный нагрев транзистора. Для того чтобы уменьшить ток I_Эn базу насыщают примесью во много раз меньше, чем эмиттер (примерно на два порядка).

Долю дырочного тока в эмиттере I_Эр определяют коэффициентом инжекции

(17.4)

характеризующим эффективность работы эмиттера. Для уменьшения электронной составляющей эмиттерного тока базу насыщают примесью незначительно. Удается обеспечить γ = 0,990 ÷ 0,995. В коллекторе и базе следует также учитывать обратный ток коллекторного перехода I_Ко, образованный неосновными носителями областей базы и коллек­тора:

(17.5)

Поскольку концентрация неосновных носителей значительно больше в базе, чем в коллекторе, обратный ток коллекторного перехода состоит в основном из дырок базы. Величина I_Ко является параметром транзистора, характеризующим его качество (чем I_Ко меньше, тем тран­зистор лучше). Ток I_Kо определяют при разомкнутой цепи эмиттера (I_Э = 0) и при определенном значении обратного напряжения на кол­лекторе. Ток I_Ко вызывается термогенерацией и с повышением температуры растет по экспоненциальному закону. В германиевых транзисторах I_Ко при повышении температуры на каждые 10° прибли­зительно удваивается, в кремниевых — увеличивается в 2,5 раза.

Значения I_Ко при нормальной температуре составляют 0,1 — 100 мкА, причем этот ток у германиевых транзисторов примерно на порядок больше, чем у кремниевых.

В базе протекают ток I_Эn, образованный электронами, инжектиро­ванными в эмиттер, ток рекомбинации I_Брек и обратный ток кол­лекторного перехода I_Ко;

(17.6)

Ток I_Kо направлен навстречу токам I_Эn и I_Брек. Из (17.3) и (17.5) видно, что

(17.7)

а это соответствует первому закону Кирхгофа. Поскольку транзистор изготовляют так, чтобы обеспечить очень малое значение тока базы, ток коллектора незначительно отличается от тока эмиттера: I_K ≈ I_Э.

Как только дырка покинет эмиттер и перейдет в базу, для восстанов­ления равновесия заряда в эмиттере электрон покидает эмиттер. За счет этого в выводе эмиттера проходит электронный ток, а в выводе коллектора — ток электронов источника, компенсирующий увеличение дырок в коллекторе. В выводе базы при этом проходит ток электро­нов источника, восполняющий убыль электронов вследствие рекомбина­ции их с дырками эмиттера (рис. 17.6). Так как за положительное направление тока принимают направление положительных зарядов, то направление токов, показанное на рисунках стрелками, противоположно направлению движения электронов.

Итак, через транзистор течет сквозной ток от эмиттера через базу к коллектору (его направление отражено в условном обозначении транзистора — стрелка от эмиттера в сторону базы).

Током коллектора можно управлять. Для этого следует изменить напряжение U_ЭБ источника питания цепи эмиттера. С увеличением U_ЭБ снижается потенциальный барьер эмиттерного перехода и увели­чивается ток эмиттера, а следовательно, и ток коллектора (при прочих равных условиях). Таким образом, ток эмиттера является управляющим, а ток коллектора — управляемым. Поэтому транзистор часто называют прибором, управляемым током. Отметим, что изменение обратного напряжения источника питания цепи коллектора практически не вызывает увеличения тока коллектора, так как поле коллекторного перехода является ускоряющим и не может изменять числа дырок, которые пересекают коллекторный переход.