Принцип роботи , схеми ввімкнення та характеристики біполярного транзистора

Концентрація основних носіїв зарядів в базі повинна бути значно меншою, ніж в емітері. Отже, у транзисторі базовий шар повинен бути високоомнішим, ніж емітерний. З врахуванням того, що для певної температури добуток концентрацій p · n – величина постійна, розподіл концентрацій в шарах транзистора показаний на рис. 2.2, де концентрація основних носіїв у колекторному та емітерному шарах прийнята одинаковою. Індекс “0” в позначеннях вказує на розподіл концентрацій за відсутності зовнішніх напруг. Позначення p_p0, p_n0 слід розуміти як концентрація дірок відповідно у шарі p- типу та n- типу, а n _{p 0} та n _{n 0} - як концентрація електронів відповідно у шарі p -типу та n -типу.

Рис. 2.2. Транзисторна структура типу p-n-p (а), розподіл концентрацій носіїв зарядів (б) і внутрішньої різниці потенціалів (в) за відсутності зовнішніх напруг

За відсутності на транзисторі зовнішніх напруг внаслідок дифузії основних носіїв зарядів (електронів чи дірок) з шарів, де їх концентрація більша, у шари, де їх концентрація менша, на емітерному та колекторному p-n- переходах утворюється внутрішнє електричне поле Е і виникає внутрішня різниця потенціалів, яка протидіє подальшій дифузії основних носіїв зарядів. Напрями внутрішніх електричних полів Е на рис. 2.2 показані стрілками.

Внутрішнє електричне поле забезпечує рівність потоків носіїв зарядів через переходи в обох напрямах, тобто рівність нулю результуючого струму за відсутності зовнішніх електричних полів. Це зумовлене тим, що внутрішнє електричне поле з потенціальним бар’єром φ₀ створює гальмівну дію для основних і прискорююче для неосновних носіїв заряду. Зауважимо, що у технічній літературі струм, який створений основними носіями зарядів, називають дифузійним, а струм, який створений неосновними носіями зарядів, називають дрейфовим.

Зовнішні напруги джерел живлення до електродів транзистора прикладають так, щоб виникло зменшення (або зникнення) внутрішньої різниці потенціалів емітерного переходу і збільшення різниці потенціалів колекторного переходу. Внаслідок зменшення потенціального бар’єру емітерного переходу основні носії емітерного шару проникають (емітують, інжектують) під дією дифузії у базовий шар. Аналогічним чином збільшиться дифузійний потік основних носіїв базового шару в емітерний шар. Потік неосновних носіїв через емітерний перехід значно зменшиться (або припиниться) внаслідок послаблення внутрішньої різниці потенціалів емітерного переходу. Тому для транзистора, наприклад, типу p-n-p, струм, який протікає через емітерний перехід, а отже і в колі емітера, можна записати у вигляді І_E=І_Ep+І_En.

Рис. 2.3. Схема підведення напруг живлення до транзистора типу p - n-p, увімкненого за схемою зі спільною базою; розподіл струмів та напруг транзистора

Електронна складова емітерного струму І_En обумовлена рухом електронів із бази в емітер. Ця складова струму протікає у контурі, утвореним електродом емітера, зовнішнім джерелом напруги U_ЕБ, елетродом бази та емітерним переходом транзистора П₁ , і не виконує корисної дії.

Діркова складова емітерного струму І_Ep створюється потоком дірок, які переходять з емітера в базу. У шарі бази частина дірок рекомбінує з носіями протилежного знаку (електронами), які поступають у базу із зовнішнього кола, створюючи діркову складову базового струму І_Бр. Друга частина носіїв зарядів, які проникли у базу з емітера, під дією прискорювального електричного поля колекторного переходу П₂ проникає у колекторний шар, створюючи діркову складову колекторного струму І_Кр. Товщина бази дорівнює приблизно 10…20 мкм, тобто близька до довжини шляху вільного пробігу носіїв заряду, і тому більшість емітованих із емітера в базу носіїв зарядів проникає у колектор. Співвідношення складової колекторного струму І_Кр, утвореного основними носіями зарядів, і струму емітера називається коефіцієнтом передачі струму емітера і позначається α, тобто α= І_Кр / І_E. Значення коефіцієнта α лежить у межах 0,95…0,998.

Очевидно, що зміною значення потенціального бар’єру емітерного переходу П₁ можна регулювати потік основних носіїв зарядів, що проникають у базу з емітера, тобто емітерним струмом.

Отже, принцип роботи біполярного транзистора базується на створенні транзитного потоку основних носіїв зарядів із емітера в колектор через базу і керуванні колекторним струмом за рахунок зміни емітерного струму. Зміна колекторного струму еквівалентна зміні (перетворенню) опору тришарової напівпровідникової структури, а звідси стає зрозумілою назва транзистор, що походит ь відлатинського ” tran siver of re sistor ”.

Підсиленене за допомогою зовнішнього джерела напруги значення електричнного поля колекторного переходу є прискорюючим не тільки для основних носіїв заряду, що проникли з емітера в базу, а також для неосновних носіїв p_n0 (в даному випадку дірок) базового та n_p0 (електронів) колекторного шарів. Це зумовлює появу некерованої складової колекторного струму І_К0 . Оскільки концентрація неосновних носіїв заряду залежить від температури [1], некеровану складову колекторного струму І_К0 називають тепловим струмом. Ця складова поряд з іншими складовими показана на рис. 2.3.

Отже, у відповідності з викладеним струм колектора формується дірковою складовою І_Кр та тепловим струмом І_К0, тобто І_К= І_Кр+ І_К0. Струм бази І_Б визначається як алгебрична сума електронної складової струму емітера І_Еn, діркової складової І_Бр і теплового струму І_К0, тобто

І_Б= І_Еn+ І_Бр- І_К0. Для зовнішніх кіл струми транзистора визначаються як

І_Е=І_К+І_Б, (2.1)

І_К= α І_E + І_К0, (2.2)

І_Б=(1- α) І_E - І_К0. (2.3)

Транзистор, який має три електроди, вмикається в електричне коло так, що один з електродів приєднується до вхідного кола, другий - до вихідного, а третій є спільним для вхідного та вихідного кіл. Залежно від того, який електрод є спільним, розрізняють три схеми увімкнення транзистора: “ зі спільною базою ”, “ зі спільним емітером ” та “ зі спільним колектором ” (рис. 2.4)

Рис. 2.4. Схеми ввімкнення транзистора: зі спільною базою (а), зі спільним емітером (б) та спільним колектором (в)

У схемі зі спільною базою (рис. 2.4, а) вхідний сигнал u_вх та напруга зміщення U_ЕБ подаються між виводами бази і емітера, резистор навантаження R вмикається у коло колектора, а напруга живлення U_КБ вмикається між базою і колектором через резистор навантаження. Вихідний сигнал u_вих знімається між колектором і базою. Вхідним струмом транзистора, який має спільну базу для вхідного і вихідного кіл, є струм емітера, вихідним – струм колектора.

У схемі зі спільним емітером (рис. 2.4, б) вхідний сигнал u_вх та напруга зміщення U_БЕ подаються між базою і емітером, резистор навантаження R вмикається у коло колектора, а напруга живлення U_КЕ вмикається між емітером і колектором через резистор навантаження. Вихідний сигнал u_вих знімається між колектором і емітером. Вхідним струмом транзистора, який має спільний емітер для вхідного і вихідного кіл, є струм бази, вихідним – струм колектора.

У схемі зі спільним колектором (рис. 2.4, в) вхідний сигнал u_вх та напруга зміщення U_БЕ подаються між базою і емітером, резистор навантаження R вмикається у коло емітера, а напруга живлення U_КЕ вмикається між колектором і емітером через резистор навантаження. Вихідний сигнал u_вих знімається з резистора навантаження.

Розглянемо роботу транзистора p-n-p типу в схемі увімкнення зі спільним емітером. Полярність напруг живлення транзистора за такої схеми його ввімкнення зображена на рис. 2.4, б. Значення напруг U_БЕ та U_КЕ

підбирають так, щоб у основному режимі роботи біполярного транзистора між ними витримувалася нерівність U_КЕ >U_БЕ. За цієї умови напруга на колекторному переході U_БК=U_КЕ - U_БЕ. З врахуванням полярностей підведених напруг емітерний перехід буде перебувати під дією прямої напруги, а колекторний – під дією зворотної. Розподіл емітерного струму І_Е

Рис. 2.5. Схема підведення напруг живлення до транзистора типу p-n-p, увімкненого за схемою зі спільним емітером; розподіл струмів транзистора

та напрям теплового струму І_К0 відповідають рис. 2.5. Зауважимо, що розподіл струмів залишається незмінним для будь-якої схеми увімкнення транзистора (порівняйте з рис. 2.3).

Справедливими залишаються рівняння (2.1) – (2.3). Однак для даної схеми увімкнення вхідним струмом є струм бази І_Б, а вихідним - струм колектора І_К. Нехтуючи тепловим струмом І_К0 в рівняннях (2.2) та (2.3), знайдемо коефіцієнт β, який дорівнює відношенню струмів колектора І_К і бази І_Б

β = (2.4)

Коефіцієнт β називається статичним коефіцієнтом передачі струму бази, або коефіцієнтом підсилення за струмом. Його значення у різних типів транзисторів коливається від десятків до сотень одиниць. Отже, для схеми увімкнення транзистора за схемою зі спільним емітером незначні зміни базового (вхідного) струму спричиняють значні (великі) зміни колекторного (вихідного) струму І_К=β·І_Б. З врахуванням того, що U_КЕ >U_БЕ, на резисторі навантаження R, ввімкненому в коло колектора, можна отримати зміни спаду напруги від протікання струму І_К, які значно перевищують зміни вхідної напруги, тобто отримати підсилення за напругою і потужністю.

Отже, через емітерний p-n- перехід здійснюється перенесення основних носіїв зарядів в протилежних напрямах (дірок з p- шару в n- шар і електронів з n- шару в p- шар). Напрям струму через перехід визначається за напрямом руху дірок, тобто позитивно заряджених частинок. На рис. 2.3 та рис. 2.5 електронна І_En і діркова І_Ep складові емітерного струму показані як такі, що збігаються за напрямом. Вказане пояснюється наступним чином. За температури Т=0 К чотири валентних електрони зовнішньої електронної оболонки кожного атома приймають участь в так званих парноелектронних або ковалентних зв’язках із сусідніми атомами. Із підвищенням температури енергії електрона стає достатньо, щоб звільнитися від зв’язків з атомами кристалічної гратки. Електрон стає вільним і під впливом електричного поля бере участь у створенні електронної складової струму І_En. Утворення вільного електрона супроводжується розривом ковалентного зв’язку між атомами і появою у місці розриву так званої дірки. Відсутність електрона у ковалентному зв’язку рівносильно появі у цьому місці позитивного заряду, який і приписують дірці, або ж появі вакантного рівня енергії. Це дозволяє валентному електрону сусіднього атома (який знаходяться у ковалентному зв’язку) під впливом електричного поля переходити в кристалі від атома до атома і приймати участь в утворенні струму (рис. 2.6, а). Тепер дірка з’являється на місці електрона, який зайняв вакантний рівень енергії сусіднього атома (рис. 2.6, б). Переміщення дірки (рис. 2.6, а, б, в, г) пов’язують з появою діркової складової струму І_Ep, а насправді валентні електрони пересуваються ніби за “естафетою” від атома

Рис. 2.6. Схема руху дірки в кристалі напівпровідника

до атома. Отже, діркова та електронна складові емітерного струму збігаються за напрямом. Викладене в одинаковій мірі стосується і до створення теплового струму І_К0 через колекторний перехід за рахунок неосновних носіїв заряду. Сумарний струм в обох випадках (І_Е та І_К0) утворюється потоком дірок і електронів, тобто частинками двох полярностей, або біполярними частинками. Саме тому транзистор має назву біполярний.

Коефіцієнт β та ряд інших параметрів визначають зі статичних характеристик транзистора.

Для схеми увімкнення транзистора зі спільним емітером вхідними характеристиками є залежності струму бази І_Б від напруги бази відносно емітера U_БЕ за незмінного значення напруги на колекторі U_КЕ, тобто І_Б=f(U_БЕ) Ι U_КЕ =const.

Вихідними характеристиками є залежність струму колектора І_К від напруги колектора відносно емітера U_КЕ за незмінного значення струму бази І_Б, тобто І_К = f (U_КЕ) Ι І_Б=const. На рис. 2.7, а зображені вхідні, а на рис. 2.7, б – вихідні статичні характеристики біполярного транзистора, ввімкненого за схемою зі спільним емітером.

Рис. 2.7. Статичні вхідні (а) та вихідні (б) характеристики біполярного транзистора

Дата добавления: 2014-01-04