Физические процессы

Рассмотрим прежде всего, как работает транзистор, для примера типа п — р — п, в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений E_t и Е₂ (рис. 4,2, а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряже­ния u_бэ понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соот­ветственно возрастает ток через этот переход — ток эмиттера г,. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают 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 продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, при­шедших сюда из эмиттера, т. е. втя­гивают 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. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколь­ко-то дырок исчезает; но столько, же но­вых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника Е_х такое, же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока i_б. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

(4.2)

i_э = i_к + i_б

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он

был как можно меньше. Обычно i₆ составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать i_K«i_Э. Именно для того, чтобы ток iб был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней кон­центрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не уве­личивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увели­чение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу на­пряжение не приложено, то практи­чески можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область кол­лекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, ко­торые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток кол­лектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает кон­центрация неосновных носителей, ин­жектированных из эмиттера, а чем боль ше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток кол­лектора i_K.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстрак­ция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжекти­руются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

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, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно мень­шей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмит­тера всегда равен сумме токов кол­лектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока:

Важное свойство транзистора — приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу. Пусть, для примера, i₃ = 10 мА, i_K = 9,5 мА, i₆ = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, напри­мер, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА, то остальные токи возрастут также на 20%; i₆ = 0,5 + 0,1 = = 0,6 мА, i_K = 9,5+ 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т. е. 12 мА = 11,4 мА + + 0,6 мА. Для приращения же токов

справедливо равенство (4.3), т. е. 2 мА = = 1,9 мА + 0,1 мА.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п — р—п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р — п — р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 4.2,6). В транзисторе типа р — п — р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.

Существенно влияет на работу транзисторов сопротивление базы г_б0, т. е. сопротивление, которое база оказывает току базы i₆. (Ноль в индексе здесь означает, что данная величина относится к постоянному току.) Этот ток протекает к выводу, базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллектор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока i_K, ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направле­нии к выводу базы сопротивление базы г_б0 (его называют поперечным) дости­гает сотен ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение u_бэ между выводами базы и эмиттера, так как часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления г₆₀ можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4.4. На этой схеме г_э0 — сопротивление эмиттера, в которое

Рис. 4.4. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение г_э0 у маломощных транзисторов дости­гает десятков ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких тран­зисторах составляет единицы милли­ампер. У более мощных транзисторов i_э0 больше и г_э0 соответственно меньше. Сопротивление г_эо определяется форму­лой (в омах)

где ток i_э выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора г_к0 пред­ставляет собой практически сопротив­ление коллекторного перехода и состав­ляет единицы и десятки килоом. В него входит также сопротивление коллектор­ной области, но • оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис. 4.4 является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади пере­ходов. Тем не менее эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (главным образом результат ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой про­бой коллекторного перехода в транзисто­ре происходит в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе мо­жет возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, т. е. без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопро­вождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особен­но надо учитывать при повышении напряжения коллектор — база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшает­ся. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) — соединение коллекторного пере­хода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и сум­марного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием неосновных носителей заряда в базе.

В ряде случаев необходимо учиты­вать протекание по поверхности тран­зистора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхност­ном слое областей транзистора.

Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током i_Kynp. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

где а — коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе а к 1. Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток i_k0 (рис. 4.5), называемый еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

Во многих случаях можно считать, что . Если надо измерить i_K0, это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при ток i_K = i_K0.

Преобразуем выражение (4.6) так чтобы выразить зависимость тока i_K от тока базы i_б. Заменим i_э суммой i_K + i_K0.

Окончательно

Следует заметить, что коэффициент, α не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах α уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. в пределах рабочих значений тока эмиттера изменяется сравнительно мало.

Коэффициент изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент α. При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.

Ток i_к._э0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба п — р-перехода) в том слу­чае, если i_,, = 0, т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при i₆ = 0 получаем i_K = i_кэ0- Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора i_K0 Ток 1_к._э0 = = i_Ko/(1-a) и зная, что а/(1 — а) = , нетрудно найти i_KЭ0 = ( + 1) i_K0. А так как , то

Сравнительно большой ток i_KЭO объясняется тем, что некоторая часть напряжения и_к._э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения u_к._э ток i_к__э0 резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если u_к._э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения u_к._э, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает токи равный ему ток i_K, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток /_к._э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.

Дата добавления: 2014-01-14