Распределение токов в структуре транзистора
Распределение токов в структуре транзистора изображено на рис. 6.5.
Наличие коллекторного перехода П2, включенного в обратном направлении, обусловливает протекание обратного тока Iко, появляющегося вследствие дрейфа неосновных носителей заряда. Концентрация неосновных носителей зависит от температуры, следовательно, и ток Iко зависит от температуры, поэтому этот ток называется тепловым (размерность тока – единицы микроампер). Результирующий ток коллектора при этом равен:
Iк = Iэ + Iко. (6.8)
На основании вышеизложенного можно утверждать, что принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (выходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.
Рис. 6.5. Распределение токов в структуре транзистора
Сопротивление эмиттерного перехода Rэ составляет единицы-десятки Ом, поэтому в эту цепь обычно подается небольшое напряжение (UЭБ < 1 В). Сопротивление коллекторного перехода Rк составляет сотни кОм – единицы МОм, поэтому: в цепь коллектора подводят большое напряжение (UБК – единицы-десятки вольт) и в нее можно включать большие внешние сопротивления. Таким образом, RкRэ.
Вследствие того, что изменение тока эмиттера происходит в цепи с малым сопротивлением, а почти равное ему изменение тока происходит в цепи коллектора, обладающей большим сопротивлением, то мощность, выделяемая на сопротивлении Rк, значительно превышает мощность в цепи эмиттера. Следовательно, транзистор обладает свойством усилителя.
Схемы включения транзисторов. Статические вах
Транзистор принято рассматривать как четырехполюсник с двумя входными и двумя выходными клеммами (рис. 6.6).
При использовании транзисторов в различных схемах практический интерес представляют зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) I1 = f (U1), при постоянном напряжении на коллекторе (U2 = const), и напряжения и тока выходной цепи (выходные ВАХ) I2 = f (U2), при постоянном значении тока управления (I1 = const). Статические характеристики снимаются при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Рис. 6.6. Схема транзистора, представленного в виде четырехполюсника
Входные и выходные ВАХ аналогичны характеристикам полупроводникового диода (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Статические вольт-амперные характеристики
биполярного транзистора
Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу П1, который работает при прямом напряжении, поэтому они подобны ВАХ для прямого тока диода. Выходные характеристики относятся к коллекторному переходу П2, работающему при обратном напряжении, поэтому они подобны обратным ветвям ВАХ диода.
Виды ВАХ зависят от способа включения транзистора. Их существует три: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Различие между схемами определяется тем, какой из выводов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Под входом и выходом каскада понимаются точки, между которыми действуют входное и выходное переменные напряжения.
Схема включения транзистора с общей базой
Схема включения транзистора с общей базой и распределения токов в его структуре представлены на рис. 6.8.
Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) имеет следующие семейства характеристик:
– выходные Iк = f (UКБ) при постоянном значении тока эмиттера Iэ1=1const;
– входные IЭ = f (UЭБ) при постоянном напряжении UКБ = const.
Рис. 6.8. Распределение токов в схеме включения транзистора с общей базой
Выходные характеристики схемы включения транзистора с общей базой приведены на рис. 6.9.
На выходных характеристиках схемы можно выделить три области.
Область I – область сильной зависимости тока коллектора IК от напряжения UКБ. Она расположена левее оси ординат.
Между коллектором и базой прикладывается напряжение:
UКБ = – UК – U’КБ, (6.9)
где UК – напряжение на p-n-переходе;
U’КБ – внешнее напряжение.
При напряжении U’КБ = 0 при токе эмиттера Iэ 0 ток коллектора Iк 0, поэтому, чтобы уменьшить значение тока коллектора IК, необходимо подать положительное значение напряжения U’КБ, то есть перевести коллектор в режим эмиттера. Тогда потоки дырок взаимно компенсируются и ток коллектора IК станет равен нулю.
Рис. 6.9. Семейство выходных характеристик схемы включения
транзистора с ОБ
Область II – область слабой зависимости тока коллектора IК от напряжения UКБ.
При подаче отрицательного значения напряжения U’КБ характеристики немного поднимаются за счет эффекта модуляции толщины базового слоя. Повышение напряжения UКБ приводит к уменьшению толщины базы, а, следовательно, к увеличению коэффициента переноса неосновных носителей через базу и, соответственно, коэффициента передачи тока .
Область III – область теплового пробоя, так как существует предел повышения напряжения UКБ.
Входные характеристики схемы включения транзистора с общей базой приведены на рис. 6.10.
Кривая, полученная при значении напряжения UКБ1 = – 5 В, размещается левее и выше кривой, полученной при напряжении UКБ = 0 вследствие явления базовой модуляции. При UКБ = 0 переход П2 закорочен и не влияет на ток базы. Изменение UКБ (на коллекторном переходе) вызывает модуляцию (уменьшение) ширины базы. С ростом UКБ это приводит к увеличению градиента концентрации инжектированных в базу дырок, в результате чего увеличивается ток диффузии, то есть ток эмиттера.
Рис. 6.10. Семейство входных характеристик схемы включения
транзистора с общей базой
Напомним, что диффузия – перемещение носителей заряда в направлении понижения их концентрации. Такое перемещение зарядов в полупроводнике образует ток диффузии, прямо пропорциональный градиенту концентрации, представляющему собой отношение изменения концентрации носителей заряда данного знака к расстоянию, на котором происходит это изменение.
Схема включения транзистора с общим эмиттером
Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) и распределение токов в его структуре представлены на рис. 6.11.
Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) имеет следующие семейства характеристик:
– выходные IК = f (UКЭ) при постоянном значении тока базы IБ = const;
– входные IБ = f (UЭБ) при постоянном напряжении UКЭ = const.
Напряжение на эмиттерном переходе П1 определяет напряжение UБЭ, а на коллекторном переходе П2 – разность напряжений UКЭ – UБЭ.
На выходных характеристиках выделяют три области (рис. 6.12).
Рис. 6.11. Распределение токов в схеме включения транзистора
с общим эмиттером
Рис. 6.12. Семейство выходных характеристик схемы включения
транзистора с ОЭ
На выходных характеристиках можно выделить три области:
– область I – начальная область, область сильной зависимости тока коллектора IК от напряжения UКЭ;
– область II – область слабой зависимости тока коллектора IК от напряжения UКЭ;
– область III – пробой коллекторного перехода.
Характеристики начинаются из начала координат. При UКЭ = 0 напряжение на коллекторном переходе будет равно напряжению UБЭ, коллекторный переход открыт, поток дырок из коллектора в базу и из эмиттера в коллектор компенсируется, ток коллектора IК = 0. По мере возрастания напряжения | UКЭ | прямое напряжение на переходе П2 снижается, его инжекция уменьшается и увеличивается ток IК. На границе областей I и II прямое напряжение снимается с перехода П2 и в области II на переход действует обратное напряжение (UКЭ UБЭ).
Входные характеристики схемы включения транзистора с общим эмиттером приведены на рис. 6.13.
Рис. 6.13. Семейство входных характеристик схемы включения
транзистора с ОЭ
При значении UКЭ = 0 входная характеристика соответствует прямой ветви ВАХ p-n-перехода. При увеличении значения напряжения | UКЭ | характеристики смещаются вниз за счет эффекта модуляции базы. При UКЭ 0 при UБЭ = 0 ток базы IБ < 0 за счет протекания обратного тока IКО через p-n-переход.
Схема включения транзистора с общим коллектором
Схема включения транзистора с общим коллектором и распределение токов в его структуре приведены на рис. 6.14.
Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) имеет следующие семейства характеристик:
– выходные IЭ = f (UЭК) при постоянном значении тока базы IБ = const;
– входные IБ = f (UБК) при постоянном напряжении UЭК = const.
Характеристики схемы с общим коллектором схожи с характеристиками схемы с общим эмиттером, так как они снимаются при условии RК = RЭ = 0.
Рис. 6.14. Распределение токов в схеме включения транзистора
с общим коллектором