Принцип роботи транзистора

 

При розгляді принципу роботи біполярного транзистора видно, що транзистор є по суті двома напівпровідниковим діодом, що мають одну загальну область - базу, причому до емітерного р-п переходу прикладена напруга Е₁, в прямому напрямі, а до колекторного переходу прикладена напруга Е₂ у зворотному напрямі, дивись рисунок 2.2. Зазвичай |Е₂| >>| Е₁|. При замиканні вимикачів SA1 і SA2 через емітерний р-п перехід здійснюється інжекція дірок з емітера в область бази. Одночасно електрони бази проходитимуть в область емітера. Отже крізь емітерний перехід пройде струм по шляху: + Е₁, емітер, база, вимикачі SA2 і SA1,— Е_1.

Якщо вимикач SA1 розімкнути, а вимикачі SA2 і SA3 замкнути, то в колекторному ланцюзі пройде незначний зворотний струм, що викликається спрямованим рухом неосновних носіїв заряду, - дірок бази і електронів колектора. Шлях струму: +Е₂, вимикачі SA3 і SA2, база, колектор, - Е₂.

Інжекція Екстракція

 

Рисунок 2.2 - Пояснення принципу роботи транзистора і енергетична діаграма біполярного транзистора

 

Таким чином, кожен з р-п переходів окремо підкоряється тим закономірностям, які були встановлені раніше (принцип дії транзисторів типу
п-р-п аналогічний, тільки в область бази вводяться з емітера не дірки, а електрони. Для таких транзисторів полярність напруги Е₁ і Е₂ має бути протилежна до тієї, яка показана на мал. напрям струмів також зміниться на протилежний, оскільки вони обумовлені в даному випадку не дірковою, а електронною провідністю).

Розглянемо тепер проходження струмів в ланцюгах транзистора при замиканні усіх трьох ключів. Як підключення транзистора до зовнішніх джерел живлення призводить до зміни висоти потенційних бар'єрів р-п переходів. Потенційний бар'єр емітерного переходу знижується, а колекторного - збільшується.

Струм, що проходить через емітерний перехід, дістав назву емітерного струму (I_Е), розраховується по формулі (2.1). Цей струм дорівнює сумі дірковою і електронною складових

I_Е = I_Ер + I_Еn (2.1)

Якби концентрація дірок і електронів у базі і емітері була однаковою, то прямий струм через емітерний перехід створювався б переміщенням однакового числа дірок і електронів в протилежних напрямах. Але в транзисторах, як було сказано вище, концентрація носіїв заряду у базі значно менша, ніж в емітері. Це призводить до того, що число дірок, інжектованих з емітера у базу, у багато разів перевищує число електронів, що рухаються в протилежному напрямі. Отже, майже увесь струм через емітерний р-п перехід обумовлений дірками. Ефективність емітера оцінюється коефіцієнтом інжекції γ, дивись формулу (2.2), який для транзисторів типу р-п-р дорівнює відношенню діркової складової емітерного струму до загального струму емітера:

(2.2)

У сучасних транзисторах коефіцієнт γ зазвичай мало відрізняється від одиниці (γ ≈0,999).

Дірки, потрапивши у базу, для якої вони є неосновними носіями заряду, починають рекомбінувати з електронами. Але рекомбінація - процес не миттєвий. Тому майже усі дірки устигають пройти через тонкий шар бази і досягти колекторного р-п переходу перш, ніж станеться рекомбінація. Підійшовши до колектору, дірки починають випробовувати дію електричного поля колекторного переходу. Це поле для дірок є прискорюючим, тому вони в результаті екстракції швидко втягуються з бази в колектор і беруть участь в створенні струму колектора. Ланцюг колекторного струму: +Е₂, вимикачі SA3 і SA1, емітер, база, колектор, - Е₂.

Зважаючи на малу міру рекомбінації дірок з електронами в області бази, можна рахувати струм колектора I_к приблизно рівний струму емітера I_Е, дивись формулу (2.3)

I_К ≈I_Е. (2.3)

Дірки, які все ж рекомбінують в області бази з електронами, беруть участь в створенні струму бази I_Б, що проходить в ланцюзі: +E₁. емітер, база, вимикачі SA2 і SA1. Отже, струм бази дорівнює різниці струмів емітера і колектора розраховуються по формулах (2.4)(2.5)

Iб = Iе-Iк (2.4)

Iе= Iб + Iк (2.5)

Необхідно звернути увагу на те, що, хоча електрони і дірки рухаються в протилежних напрямах, струми в ланцюгах транзистора проходять в одному напрямі, співпадаючому з напрямом руху носіїв заряду позитивної полярності - дірок. Отже, при утворенні струму в ланцюгах транзистора може йтися не про різницю, а саме про суму електронної і діркової складових.

Для оцінки впливу рекомбінації носіїв заряду у базі на підсилювальні властивості транзистора використовується коефіцієнт перенесення носіїв у базі, який показує, яка частина інжектованих емітером дірок досягає колекторного переходу.

Цей коефіцієнт можна визначити по формулі (2.6)

(2.6)

Коефіцієнт перенесення δ тим ближче до одиниці, чим менше, товщина бази і концентрація електронів у базі в порівнянні з концентрацією дірок в емітері.

Одним з основних параметрів транзистора є коефіцієнт передачі струму емітера - α, який дорівнює відношенню приросту струму колектора до приросту струму емітера при незмінній напрузі на колекторному переході, дивись формулу (2.7)

(2.7)

Цей коефіцієнт може бути виражений через величини γ (коефіцієнт інжекції) і δ (коефіцієнт перенесення носіїв у базі) співвідношенням (2.8)

α = γδ. (2.8)

Так як γ и δ менш одиниці, то коефіцієнт передачі струму емітера α також не перевищує одиниці. Зазвичай α = 0,95...0,99. Чим більше коефіцієнта α, тим менше відрізняються між собою струми колектора і емітера, тим ефективніше можуть бути використані підсилювальні властивості транзистора.

Оскільки в ланцюзі колектора окрім струму, обумовленого екстракцією дірок з бази в колектор, протікає власне зворотний струм колекторного переходу I_КБО,, то повний струм колектора розраховується по формулах (2.9)(2.10)

I_к = αI_Е + I_КБО. (2.9)

Враховуючи, що струм I_КБО,, за величиною незначний, можна прийняти

I_к = αI_Е (2.10)

З вираження (2.10) виходить, що транзистор є керованим приладом, оскільки величина його колекторного струму залежить від величини струму емітера.