4.2. Активный режим работы биполярного транзистора

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 4.4.

За счет прямого смещения эмиттерного перехода электроны – основные носители n-слоя – переходят вр-слой. Часть из них рекомбинирует с дырками базовой области. Поскольку технологически обеспечивается неравенство

р_р  п_n

Рис. 4.4. Активный режим биполярного транзистора

и база выполняется узкой, то вероятность рекомбинации мала, и большая часть электронов эмиттера доходит до запертого коллекторного перехода. Поскольку электроны эмиттера для р-области (базы) являются неосновными носителями, то поле запертого коллекторного перехода является для них ускоряющим и они путем дрейфа переходят в область коллекторного слоя п.

Запирающий источник Е_и вызывает протекание малого обратного тока коллекторного перехода I_ко. Обозначив коэффициентом часть электронов эмиттера, избежавших в слое базы рекомбинации и попавших в слой коллектора, можно записать очевидное соотношение для тока коллектора вактивном режиме как

I_к=I_э + I_ко, I_э=F(Е_эб). (4.1)

Из (4.1) с очевидностью подтверждается, что биполярный транзистор является электрически управляемым элементом: I_к= F(I_э)= F(Е_эб).

Учитывая малость обратного тока (I_ко0) и близость к единице коэффициента, можно считать, что

I_к  I_э. (4.2)

Так как напряжение источника Е_кб(запирающего) может быть выбрано много больше, чем напряжениеЕ_эбна открытом переходе (для кремния это около 0,7 В), на основании (4.2) можно записать, что

(Р_и = I_кЕ_кб) >> (Р_у =I_эЕ_эб),

т. е. мощность источника энергии Р_и, управляемая транзистором, много больше мощности управления Р_у, что является обязательным свойством любого управляемого элемента. В этом смысле говорят, что биполярный транзистор является усилительным элементом.

Если рассматривать ток коллектора как функцию тока эмиттера (4.1), то это вариант управления током. Но это чисто условно, поскольку токI_э = F(Е_эб) и можно считать, что транзистор управляетсянапряжением, связь выходного тока с управляющим напряжением может быть представлена в виде

I_к=Е_эб + I_ко, (4.3)

где – коэффициент, называемый крутизной биполярного транзистора, имеющий размерность проводимости.

Реально источник управляющего сигнала всегда можно представить в виде идеального источника ЭДС Е_у с внутренним сопротивлениемR_у(рис. 4.5), и в этом случае использование соотношений (4.1) или (4.3) является делом вкуса, т. к. для определенияI_уиU_учерез заданныеЕ_уиR_унеобходимо решать нелинейную задачу.

Рис. 4.5. Работа биполярного транзистора от реального источника управляющего сигнала

Главным недостатком схемы с ОБ, из-за которого эта схема в чистом виде практически не используется, является большая величина тока, а, следовательно, мощность управления – соотношение (4.2). Реальные источники сигналов в большинстве случаев не могут из-за ограниченной мощности обеспечить такой ток (мощность). Возвращаясь к рис. 4.4, на основании закона Кирхгофа для узла Бимеем

I_э = I_б + I_к,

или, с учетом соотношения (4.1),

I_б = I_э – I_к= I_э(1 – ) – I_ко. (4.4)

Учитывая, что 1, из (4.4) следует

I_б << I_э, I_б << I_к.

Поскольку ток базы вызывается тем же самым напряжением Е_бэ, что и ток эмиттера, из (4.4) следует, что получить одинаковый ток коллектора можно за счет задания тока базы, значительно меньшего, чем ток эмиттера.

Это достигается в схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 4.6.

Рис. 4.6. Управление током базы

Теперь мощность, потребляемая от управляющего источника,

Р_у=Е_бэI_б

много меньше, чем в схеме с ОБ, благодаря чему схема с ОЭ является основной схемой, используемой на практике.