Физические процессы в транзисторе

Рассмотрим прежде всего, как работает п—р—п транзистор в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питаю­щих напряжений UБЭ и UКЭ (рис. 4.2,а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе — обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормаль­ного тока в этом переходе достаточно напряжения UБЭ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, а напряжение UБК обычно состав­ляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 4.2,авидно, что напряже­ния между электродами транзистора связаны простой зависимостью:

UКЭ = UКБ + UБЭ . (4.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда UБЭ « UКБ и, следовательно, UКЭ ≈ UКБ .

Физические процессы в транзисторе - student2.ru

Рис. 4.2. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n – p – n и p – n – p

При увеличении прямого входного напряжения UБЭ понижается потенциальный барьер эмиттерного перехода и соответственно возрастает ток эмиттера IЭ через этот переход. Электроны инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проходят сквозь базу в коллекторный переход, увели­чивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками « + » и « ─ ». Между ними возникает электри­ческое поле. Оно способствует экстракции через коллекторный переход электронов, пришедших от эмиттера, т. е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возни­кает ток базы, протекающий в проводе базы. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмит­тера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следую­щее соотношение между токами:

IЭ = IК + IБ . (4.2)

Обычно IБ составляет (1-2)% от тока эмиттера, т. е. IБ « IЭ , и, следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмит­тера, т. е. можно считать IК ≈ IЭ. Именно для того, чтобы ток IБ был как можно меньше, базу делают очень тонкой.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так
называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный
переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный пе­реход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо боль­ше, чем рассеиваемая в эмиттерном.

Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р—п—р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений
и направления токов (рис. 4.2,б).

Ток эмиттера управ­ляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током IК.упр, так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому:

IК.упр = α IЭ , (4.3)

где α — коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; он может иметь значения от 0,97 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе α к 1. Через коллекторный переход всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток IК0 (рис. 4.3), называемый начальным обратным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход и резко зависит от температуры. Таким образом, полный коллекторный ток:

IК = α IЭ + IК0 . (4.4)

Физические процессы в транзисторе - student2.ru

Рис. 4.3. Токи в транзисторе

Обычно IК0 « IЭ и можно считать, что IК ≈ α IЭ . Если надо изме­рить IК0, то это делают при оборванном проводе эмиттера.

Преобразуем выражение (4.4) так, чтобы выразить за­висимость тока IК от тока базы IБ. Заменим IЭ суммой IК + IБ :

IК = α(IК + IБ)+ IК0 .

Решая это уравнение относительно IК , получим:

Физические процессы в транзисторе - student2.ru

Обозначим:

Физические процессы в транзисторе - student2.ru и Физические процессы в транзисторе - student2.ru (4.5) и (4.6)

и напишем окончательное выражение:

IК =βIБ + IКЭ0 . (4.7)

Здесь β является коэффициентом усиления тока базы и составляет десятки и сотни единиц. Например, если α = 0,98, то:

Физические процессы в транзисторе - student2.ru ,

а если коэффициент α= 0,99, т. е. увеличился на 0,01, то: Физические процессы в транзисторе - student2.ru ,

т. е. β увеличивается в 2 с лишним раза.

Таким образом, незначительные изменения α приводят к большим изме­нениям β. Коэффициент β так же, как и α, относится к основным параметрам транзистора. Если известен β, то можно всегда определить α по формуле:

Физические процессы в транзисторе - student2.ru . (4.8)

Ток IКЭ0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор в том случае, если IБ = 0, т. е. оборван провод базы. Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора

IК0. Ток IКЭ0 = IК0/(1-α), и, зная, что α/(1-α) = β, нетрудно найти:

IКЭ0 = (β+1) IК0 . (4-9)

Значительный ток IКЭ0 объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения UКЭ приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напря­жения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

Наши рекомендации