Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

4.1.2. Принцип действия транзистора

Принцип действия транзистора будет рассматриваться на примере транзистораp-n-p-типа (рис. 4.2). Если эмиттерный переход (ЭП) сместить в прямом направлении, а коллектор в обратном, то потенциальный барьер ЭП снизится и станет равнымU_оэ–U_э, а потенциальный барьер коллекторного перехода (КП) повысится и станет равнымU_ок+U_к. Одновременно уменьшится толщина ЭП, и увеличится толщина КП, причем увеличение толщины запирающего слоя произойдёт в основном в сторону базы, так как проводимость ее много меньше, чем проводимость коллектора.

Снижение потенциального барьера на ЭП вызовет инжекцию дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер, появляется эмиттерный ток (I_э), который состоит из двух составляющих:

I_эр +I_эn.

Так как р_э >>n_б, то дырочная составляющая тока эмиттера оказывается много больше электронной составляющейI_эр >>I_эn, которая замыкается через цепь базы и не участвует в создании коллекторного тока. Поэтому её и стремятся сделать по возможности малой. Для цепи базы она является одной из составляющих тока базы.

В результате инжекции дырок из эмиттера концентрация их в базе у границы ЭП увеличивается и может значительно превышать равновесную, в то время как концентрация дырок у КП вследствие их экстракции практически равна нулю. Таким образом, распределение концентрации неосновных неравновесных дырок в базе имеет вид (рис. 4.2, а), т.е. возникает градиент концентрации дырок.Градиент концентрации вызывает диффузионное движение инжектированных дырок через базу от эмиттера к коллектору.

В процессе диффузии дырок к КП часть их рекомбинирует с электронами базовой области. Для сохранения нейтральности базы в неё входят электроны из внешней цепи, образуя рекомбинационный ток базы (I_б.рек)_.. Поскольку концентрация электронов в базе незначительна, по сравнению с концентрацией инжектированных из эмиттера дырок, и диффузионная длина дырок значительно больше толщины базы, вероятность рекомбинации мала и основная часть дырок достигает КП. Дырки, достигшие КП, попадают в его ускоряющее поле и перебрасываются в коллекторную область, создавая ток коллектора.

Чем больше дырок инжектируется эмиттером, тем больше градиент концентрации дырок в базе, тем большее их количество достигает коллектора, увеличивая его ток. Следовательно, ток коллектора пропорционален току эмиттера:

I_кр = αI_э.

Он называется управляемым током коллектора. Возможность управлять выходным током транзистора при изменении входного тока – важное свойство биполярного транзистора. Оно позволяет использовать его в качестве активного элемента различных схем. Коэффициент пропорциональности (α) называется коэффициентом передачи тока эмиттера и составляет 0.95...0.99.

Кроме I_крв цепи коллектора протекает небольшой собственный обратный ток КП, не зависящий от тока эмиттера. Его обозначаютI_кбо.

Таким образом, полный ток коллектора равен:

I_r= αI_э+I_кбо.

Между токами трех электродов транзистора существует зависимость, описываемая соотношением:

I_э=I_к+I_б.

Из этих соотношений следует, что ток базы связан с током эмиттера следующим образом:

I_б= (1 – α)I_э–I_кбо.

4.1.3. Схемы включения транзисторов

При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора (рис. 4.3): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

В схеме с общей базой (рис. 4.3, а) напряжения на эмиттере (U_эб) и коллекторе (U_кб) отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔU_кв> ΔU_зв), но не обеспечивает усиления тока (ΔI_k≈ΔI_з) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 4.3, б), в которой напряжения на базе (U_бэ) и коллекторе (U_кэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как

I_б=I_э–I_к <<I_к(I_k≈I_э),

то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к>>ΔI_б) и напряжения (ΔU_кэ>ΔU_эб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (U_бэ) и эмиттере (U_кэ) отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так какI_б<<I_э, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к>>ΔI_б), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема с общим коллектором не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление.

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входными, выходными, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).

Входнойназываетсяхарактеристика

I₁ = f(U₁) при U₂ = const,

показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Выходнойназывается характеристика

I₂ = f(U₂) при I₁ = const,

показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Характеристики

I₂ = f(I₁) или I₂ = f(U₁) при U₂ = const

называются характеристиками прямой передачи, а характеристики

U₁ = f(U₂) при I₁ = const

называются характеристиками обратной передачи.

Всправочниках обычно приводятся усредненные семейства входных, выходных характеристик и реже – характеристик прямой передачи транзисторов, включенных по схеме с ОЭ иOБ.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ (рис. 4.4, а) представляет собой зависимость

I_Э=f(U_эб)

при фиксированных значениях параметра напряжения на коллекторном переходе (U_кб).

При U_кб = 0 характеристика подобна ВАХp-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряженияU_кбвследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх:I_эрастет при выбранном значенииU_ЭБ.Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_э=const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжениеU_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что приU_кб < 0 иU_эб= 0 существует небольшой ток эмиттераI_эо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости

I_к =f(U_кб)

при заданных значениях параметра I_э(рис.4.4, б).

Выходная характеристика транзистора при I_э = 0 и обратном напряжении (U_кб < 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. При этом I_к = I_кбо, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи «коллектор – база».

При I_э> 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже приU_кб = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный токI_э, тем большее прямое напряжениеU_кб требуется для полученияI_к= 0.

Область в первом квадранте (см. рис. 4.4, а), где U_кб < 0 (обратное) и параметрI_э> 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжениеU_эб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:

I_к =αI_э+I_кбо.

Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_э.

В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (α) можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_кб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_к=const). Реально же эффект Эрли при росте |U_кб| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнаружено только измерениями, поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ (рис. 4.5, а) представляет собой зависимостиI_б =f(U_бэ), напряжениеU_кэявляется параметром. НапряжениеU_бэ>0 соответствует прямому включению эмиттерного перехода. Если при этомU_кэ= 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:

U_кб =U_эб> 0.

Поэтому входная характеристика при U_кэ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_эб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_кб = U_эб) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток. Процессы в транзисторе отражает схема рис. 4.6. Входная характеристика (см. рис. 4.5, а) имеет форму прямой ветви характеристикиp-n-перехода.

Вторая характеристика (см. рис. 4.5, а) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжениеU_кэдолжно быть вp-n-р-транзисторе отрицательным (U_кэ < 0) и по модулю превышать напряжениеU_бэВ этом случае

U_кб=U_кэ–U_бэ< 0.

Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:

I_б= (1 – α)I_э–I_кбо.