2020-04-12
279
На рис. 1.1 показана типовая структура биполярного n – p – n - транзистора. Основные элементы структуры: эмиттер, база и коллектор. В нормальном активном режиме p – n - переход эмиттер - база смещен в прямом направлении, а переход коллектор - база – в обратном. Эмиттерный переход легирован несимметрично. Концентрация и доза примеси в эмиттере многократно превосходят эти показатели в базе. Поэтому инжекция неосновных носителей в базу также многократно больше, чем в эмиттер. Отношение тока неосновных носителей в базе к общему току эмиттера называется коэффициентом инжекции.
. (1.1)
Рис. 1.1. Типовая структура биполярного транзистора
На границе перехода коллектор - база концентрация неосновных носителей практически равна нулю. Ток неосновных носителей в базе пропорционален градиенту их концентрации и коэффициенту диффузии. Схемы распределения примесей и неосновных носителей заряда в структуре n – p – n - транзистора показана на рис. 1.2. Среднее время, за которое неосновные носители (электроны) диффундируют в электронейтральной области базы от эмиттерного к коллекторному переходу, оценивается формулой
|
|
|
, (1.2)
где t – среднее пролетное время носителей в базе; W – ширина электронейтральной области базы; Dnб – коэффициент диффузии электронов в базе.
Рис. 1.2. Схемы распределения примесей (а) и неосновных носителей заряда (б) в структуре n – p – n - транзистора
Не все диффундирующие носители доходят до коллекторного перехода. Часть их рекомбинирует с основными носителями в базе. Отношение токов неосновных носителей на границах коллекторного и эмиттерного переходов называется коэффициентом переноса:
= 
, (1.3)
где a – коэффициент переноса носителей в базе; tnб – время жизни неосновных носителей в базе.
Ток коллектора определяется произведением коэффициентов инжекции и переноса:
. (1.4)
Соответственно, ток базы равен разности этих токов:
. (1.5)
Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока:
= 
. (1.6)
Любой транзистор характеризуют три зависимости статических параметров:
|
|
|
а) входная вольт - амперная характеристика (ВАХ) – зависимость входного тока от входного напряжения. Для биполярного транзистора:
¦ 
; (1.7)
б) выходная ВАХ – зависимость выходного тока от выходного напряжения:
¦ 
; (1.8)
в) проходная ВАХ – зависимость выходного тока от входного напряжения:
¦ . (1.9)
Ток эмиттерного диода делится между базой и коллектором:
. (1.10)
Входная и проходная ВАХ – это экспоненты, отличающиеся только масштабным коэффициентом. Наиболее информативная характеристика биполярного транзистора – выходная (рис.1.3).
Рис. 1.3. Выходная ВАХ биполярного n – p – n - транзистора
Обычно строится семейство характеристик для разных токов базы. При небольших напряжениях Uкэ все семейство выходных характеристик поднимается вверх с наклоном 
, где Rк и Rэ – омические сопротивления коллекторной и эмиттерной областей. Этот участок называется областью насыщения, а оба перехода (эмиттерный и коллекторный) смещены в прямом направлении. При напряжениях Uкэ более 1 В выходные характеристики расходятся веером с наклоном 
, где UА – напряжение Эрли – параметр, определяющий выходное сопротивление транзистора в нормальном активном режиме. Наклон характеристик обусловлен действием эффекта Эрли. При увеличении напряжения на коллекторном переходе область пространственного заряда (ОПЗ) расширяется, а электронейтральная область в базе сужается. При этом возрастают градиент концентрации неосновных носителей в базе, коэффициенты инжекции и переноса, коэффициент усиления по току и ток коллектора.
Для любого усилительного прибора справедливо соотношение
. (1.11)
Если принять Iк=Iэ , UА+Uкэ»UА , то
(1.12)
Максимальный коэффициент усиления по напряжению биполярного транзистора равен отношению напряжения Эрли к температурному потенциалу. Диапазон значений коэффициента усиления – от нескольких сотен до сотен тысяч.
