Принцип работы биполярных транзисторов

 

Для рассмотрения принципа работы биполярного транзистора воспользуемся схемой, приведенной на рис.2.1 Из рисунка видно, что транзистор представляет собой по существу два полупроводниковых диода, имеющих одну общую область - базу, причем к эмиттерному р-п переходу приложено напряжение Е₁ в прямом (пропускном) направлении, а к коллекторному переходу приложено напряжение Е₂ в обратном направлении. Обычно | Е₂ | " | Е₁ |. При замыкании выключателей SA1 и SA2 через эмиттерный р-п переход осуществляется инжекция дырок из эмиттера в область базы. Одновременно электроны базы будут проходить в область эмиттера. Следовательно, через эмиттерный переход пойдет ток по следующему пути: + Е_{1, м} иллиамперметр РА1, эмиттер, база, миллиамперметр РА2, выключатели SA2 и SA1, - E₁.

Рис.2.1 К пояснению принципа работы транзистора

 

Если выключатель SA1 разомкнуть, а выключатели SA2 и SA3 замкнуть, то в коллекторной цепи пройдет незначительный обратный ток, вызываемый направленным движением не основных носителей заряда - дырок базы и электронов коллектора. Путь тока: +Е₂, выключатели SA3 и SA2, миллиамперметр РА2, база, коллектор, миллиамперметр РАЗ, - Е₂.

Таким образом, каждый из р-п переходов в отдельности подчиняется тем закономерностям, которые были установлены ранее.

Рассмотрим теперь прохождение токов в цепях транзистора при замыкании всех трех ключей. Как видно из рис.2.2, подключение транзистора к внешним источникам питания приводит к изменению высоты потенциальных барьеров р-п переходов. Потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается, а коллекторного - увеличивается.

 

Рис.2.2 Энергетическая диаграмма включенного транзистора

 

Ток, проходящий через эмиттерный переход, получил название эмиттерного тока (Iэ). Этот ток равен сумме дырочной и электронной составляющих

Iэ = Iэ_Р + Iэ_n. (2.1)

 

Если бы концентрация дырок и электронов в базе и эмиттере была одинаковой, то прямой ток через эмиттерный переход создавался бы перемещением одинакового числа дырок и электронов в противоположных направлениях. Но в транзисторах, как было сказано выше, концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число дырок, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число электронов, движущихся в противоположном направлении. Следовательно, почти весь ток через эмиттерный р-п переход обусловлен дырками. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции γ,который для транзисторов типа р-п-р равен отношению дырочной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера:

γ =  =  =  ( 7.2)

 

В современных транзисторах коэффициент γ обычно мало отличается от единицы (γ ≈ 0,999).

Инжектированные через эмиттерный переход дырки проникают вглубь базы. В зависимости от механизма прохождения носителей заряда в области базы отличают бездрейфовыеи дрейфовые транзисторы. В бездрейфовых транзисторах перенос неосновных носителей заряда через базовую область осуществляется в основном за счет диффузии. Такие транзисторы обычно получают описанным выше методом сплавления. В дрейфовых транзисторах в области базы путем соответствующего распределения примесей создается внутреннее электрическое поле и перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется в основном за счет дрейфа. Такие транзисторы, как уже отмечалось, обычно получают методом диффузии примесей.

Несмотря на определенные различия в механизме прохождения носителей заряда через базу, и в бездрейфовых, и в дрейфовых транзисторах дырки, попав в базу, для которой они являются неосновными носителями заряда, начинают рекомбинировать с электронами. Но рекомбинация - процесс не мгновенный. Поэтому почти все дырки успевают пройти через тонкий слой базы и достигнуть коллекторного р-п перехода прежде, чем произойдет рекомбинация. Подойдя к коллектору, дырки начинают испытывать действие электрического поля коллекторного перехода. Это поле для дырок является ускоряющим, поэтому они в результате экстракции быстро втягиваются из базы в коллектор и участвуют в создании тока коллектора. Цепь коллекторного тока: +Е₂, выключатели SA3 и SA1, миллиамперметр РА1, эмиттер, база, коллектор, миллиамперметр РАЗ,-Е₂ ( рис.2.1).

Принимая во внимание малую степень рекомбинации дырок с электронами в области базы, можно считать ток коллектора Iк примерно равным току эмиттера Iэ:

I_к≈Iэ. (2.3)

 

Те дырки, которые все же рекомбинируют в области базы с электронами, участвуют в создании тока базы I_б, проходящего в цепи: +Е₁, миллиамперметр РА1, эмиттер, база, миллиамперметр РА2, выключатели SA2 и SA1. Следовательно, ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора

I_б = I - Iк. (2.4)

 

Нетрудно заметить также, что ток эмиттера, измеряемый миллиамперметром РА1, равен сумме токов базы и коллектора, измеряемых соответственно приборами РА2 и РАЗ, т.е.

Iэ = I_Б + I_к. ( 2.5)

 

Необходимо обратить внимание на то, что, хотя электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, токи в цепях транзистора проходят в одном направлении, совпадающем с направлением движения носителей заряда положительной полярности - дырок. Это нетрудно понять, если учесть, что противоположное направление движения электронов и дырок компенсируется их противоположным знаком. Следовательно, при образовании тока в цепях транзистора речь может идти не о разности, а именно о сумме электронной и дырочной составляющих.

Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе на усилительные свойства транзистора используется коэффициент переноса носителей в базе,который показывает, какая часть инжектированных эмиттером дырок достигает коллекторного перехода. Этот коэффициент можно определить по формуле

 

δ= ; ( 2.6)

 

Коэффициент переноса δ тем ближе к единице, чем меньше толщина базы и концентрация электронов в базе по сравнению с концентрацией дырок в эмиттере.

Одним из основных параметров транзистора является коэффициент передачи тока эмиттера,который равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе:

 

α =  (2.7)

 

Этот коэффициент может быть выражен через величины γ и δ следующим соотношением:

α = γδ. ( 2.8)

 

Так как γ и δ меньше единицы, то коэффициент передачи тока эмиттера α также не превышает единицы. Обычно а = 0,95...0,99. Чем больше коэффициент а, тем меньше отличаются между собой токи коллектора и эмиттера, тем более эффективно могут быть использованы усилительные свойства транзистора.

Поскольку в цепи коллектора кроме тока, обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, протекает собственно обратный ток коллекторного перехода I_кбо, то полный ток коллектора

Iк = αI_э + I_кбо (2.9)

 

Учитывая, что ток I_кбо по величине незначителен, можно принять

Iк = αIэ (2.10)

 

Из выражения (2.10) следует, что транзистор представляет собой управляемый прибор, так как величина его коллекторного тока зависит от величины тока эмиттера.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:

Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный - обратное. Этот режим является основным режимом работы транзистора. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение, подведенное к эмиттерному переходу, а токи в цепях эмиттера и коллектора практически равны, следует ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы (в коллекторной цепи) может оказаться намного больше, чем во входной (эмиттерной) цепи транзистора.

Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Практически транзистор в режиме отсечки оказывается запертым.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепи транзистора максимален и практически не регулируется током входной цепи. В этом режиме транзистор полностью открыт.

Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному - прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими ролями - эмиттер выполняет функции коллектора, а коллектор - функции эмиттера. Этот режим, как правило, не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора.