2.2.3.2 Физический анализ простейшей схемы усилителя

Анализ схемы рис.4 с использованием упрощенной структуры транзистора и основных физических процессов, которые происходят внутри транзистора при подаче напряжений на два его перехода, то есть анализ на физическом уровне, выполнен в описании к работе «Мультивибратор на транзисторах» при работе транзистора в трех режимах.

Проведем физический анализ усилителя, то есть рассмотрим только активный режим работы транзистора в схеме.

При открытом эмиттерном переходе транзистора, когда , основные носители заряда эмиттера – электроны – инжектируются (впрыскиваются) в базу. Как правило, концентрация электронов в эмиттере гораздо больше концентрации дырок в базе, значит, обратный ток через первый переход ничтожно мал. Поэтому ток через первый переход (ток эмиттера ) определяется электронами эмиттера и растет с увеличением . Так как толщина базы делается меньше диффузионной длины пробега электронов, большая часть попавших в базу электронов не успевает рекомбинировать с дырками базы и движется через область базы ко второму переходу под действием сильного электрического поля, созданного положительным напряжением на коллекторном переходе ( >0).

База имеет дырочную проводимость и попавшие в базу электроны эмиттера являются в ней неосновными носителями, значит, напряжение на коллекторном переходе >0 для них является пропускным. Поэтому большая часть электронов эмиттера проходит второй переход, образуя большой коллекторный ток . Только незначительная часть электронов, эмиттированных в базу, не достигает коллектора: рекомбинирует с дырками в базовой области или достигает базового электрода, образуя базовый ток , много меньший тока коллектора . Этому способствует малая толщина, низкая примесная проводимость области базы, а также тот факт, что напряжение составляет доли вольта, а – единицы вольт (см. рис.5).

Таким образом, ток в основном (до 99% попавших в базу электронов) замыкается через весь транзистор, проходя оба – -перехода, и этот ток примерно равен току через первый переход – . Поскольку ток эмиттера сильно зависит от напряжения на первом переходе , значит и коллекторный ток определяется величиной , то есть . Поэтому, можно сказать, что транзистор в активном режиме является электрически управляемым резистором, а – управляющее напряжение².

Нетрудно понять, почему в схеме рис.4 возможно усиление. Так как первый переход открыт, то малое изменение входного напряжения на величину вызовет значительное изменение тока эмиттера , а, значит, примерно такое же изменение коллекторного тока, так как . При этом ток течет через открытый переход, когда его сопротивление мало, а коллекторный переход заперт и его сопротивление велико. Поэтому включение в цепь коллектора нагрузки с сопротивлением > >> не изменит , что и позволит получить на выходе схемы большее изменение напряжения, чем на первом переходе. Действительно, из соотношения (4) следует

= ,

(5)

Из (5) видно, что для получения усиления по напряжению входной сигнал в схеме рис.4 нужно подавать на первый переход транзистора, а нагрузку включать в коллекторную цепь. При этом изменение выходного напряжения, вызванное сигналом, а значит и коэффициент усиления схемы, будут увеличиваться с увеличением сопротивления нагрузки .

Проведенный выше анализ позволяет только показать факт усиления в простейшей схеме и не дает количественного результата, как и все физические методы анализа.