Файл: ТЭ.docx

Вследствие двойной инжекции база транзистора очень сильно насыщается избыточными носителямими (электронами для npn-транзистора и дырками для pnp-транзистора), из-за чего усиливается их рекомбинация с основными носителями, и рекомбинационный ток базы оказывается значительно выше, чем в активном или инверсном режимах. Ток коллектора не обеспечивает отвод всех подходящих к коллектору инжектированных носителей заряда (говорят об ограничении тока коллектора).

В связи с насыщением базы транзистора и его переходов избыточными носителями заряда, их сопротивления становятся очень маленькими. Поэтому цепи, содержащие транзистор, находящийся в режиме насыщения, можно считать короткозамкнутыми, в этом режиме транзистор представляет собой эквипотенциальную точку.

В режиме отсечки (см. т. F на рис. 6.9) оба перехода транзистора находятся в закрытом состоянии.

Сквозные потоки электронов в режиме отсечки отсутствуют. Через переходы транзистора протекают потоки неосновных носителей заряда, создающие малые и неуправляемые тепловые токи переходов. База и переходы транзистора в режиме отсечки обеднены подвижными носителями заряда, в результате чего их сопротивления оказываются очень высокими. Поэтому считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

Режимы насыщения и отсечки используются при работе транзисторов в импульсных (ключевых) схемах.

Рассмотренные процессы инжекции и собирания носителей коллектором не зависят от схемы включения, соответственно, и рассмотренные режимы – будут иметь место и в каскадах с общим эмиттером и общим коллектором.

6.1.2 Усиление транзистора, включенного по схеме с общей базой

Согласно выражению , = 0,95… 0,99, в схеме с ОБ усиление тока отсутствует. Несмотря на это усиление мощности существует, так как в усилительном режиме (U_э.б>0, U_к.б<0) выходное дифференциальное сопротивление ()много больше входного дифференциального сопротивления (). Таким образом, практически одинаковый ток проходит и через высокое сопротивление и через низкое, вследствие чего в схеме с ОБ имеет место усиление мощности.

Из-за высокого выходного сопротивления в цепи коллектора может быть включено достаточно большое сопротивление нагрузки (R_К на рис. 6.2) – до 1 МОм. Относительно малое изменение напряжения на эмиттере будет вызывать большое изменение напряжения на сопротивлении нагрузки. В результате различия входного и выходного сопротивлений транзистор дает усиление по мощности.

6.2 Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рис. 6.13:

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы I_Б, и напряжение на базе относительно эмиттера U_БЭ, а выходными характеристиками будут ток коллектора I_К и напряжение на коллекторе U_КЭ. Для любых напряжений:

Отличительной особенностью режима работы с ОЭ является одинаковая полярность напряжения смещения на входе (базе) и выходе (коллекторе): отрицательный потенциал в случае pnp-транзистора и положительный в случае npn-транзистора. При этом переход база-эмиттер смещается в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном.

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде: . В схеме с общим эмиттером для pnp-транзистора (в соответствии с первым законом Кирхгофа) (6.1): , отсюда получим:

После перегруппирования сомножителей получаем:

Коэффициент α/(1-α) называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент знаком β, итак:

Коэффициент передачи тока для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I_К при изменении тока базы I_Б. Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α<1), то из уравнения (6.38) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β>>1). При значениях коэффициента передачи α=0,98÷0,99 коэффициент усиления тока базы будет лежать в диапазоне β=50÷100.

6.2.1 Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером

Рассмотрим ВАХ pnp-транзистора в режиме ОЭ (рис. 6.13, 6.14).

Входные ВАХ.

Рекомбинационный ток базы составляет часть тока эмиттера:

При U_КЭ =0 . С увеличением напряженияU_БЭ концентрация на переходе ЭБ растет (рис. 6.15,а), градиент концентрации инжектированных дырок растет, диффузионный ток дырок, как и в прямо смещенном pn-переходе, растет экспоненциально (т. А) и отличается от тока эмиттера только масштабом (6.36).

При обратных напряжениях на коллекторе и фиксированном напряжении на ЭП |U_БЭ| (рис. 6.15,б) постоянной будет и концентрация дырок в базе вблизи эмиттера. Увеличение напряжения U_КЭ будет сопровождаться расширением ОПЗ коллекторного перехода и уменьшением ширины базы (эффект Эрли) и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе.

При этом градиент концентрации дырок в базе будут расти, что приводит к дальнейшему уменьшению их концентрации. Поэтому число рекомбинаций электронов и дырок в базе в единицу времени уменьшается (возрастает коэффициент переноса ). Так как электроны для рекомбинации приходят через базовый вывод, ток базы уменьшается ивходные ВАХ смещаются вниз.

При U_БЭ=0 и отрицательном напряжении на коллекторе (U_кб<<0) ток через эмиттерный переход равен нулю, в базе транзистора концентрация дырок меньше равновесной, так как у КП эта концентрация равна нулю, а у ЭП ее величина определяется равновесным значением. Через коллекторный переход протекает ток экстрагированных из коллектора дырок I_КЭ0.

В базе, как и в pn-переходе при обратном смещении, процесс тепловой генерации будет преобладать над процессом рекомбинации. Генерированные электроны уходят из базы через базовый вывод, что означает наличие электрического тока, направленного в базу транзистора (т. В). Это – режим отсечки, он характеризуется сменой направления тока базы.

Выходные ВАХ.

В активном режиме (|U_КЭ|>|U_БЭ|>0) поток инжектированных эмиттером дырок p экстрагируется коллекторным переходом также, как и в режиме ОБ, с коэффициентом . Часть дырок(1-α) p рекомбинирует в базе в электронами, поступающими из омического контакта базы.

При увеличении тока базы отрицательный заряд электронов уменьшает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базе.

Проанализируем, почему малые изменения тока базы I_Б вызывают значительные изменения коллекторного тока I_К. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА. Ток базы стократно вызывает увеличение тока коллектора.

По аналогии с (6.34) можно записать:

Учитывая (6.1): , получим:

Учитывая, что