Принцип действия биполярного транзистора

Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на примере упрощенной модели транзистора в активном режиме при включении в схеме с ОБ (рис.3.3). Так как в активном режиме эмиттерный переход включен в прямом направлении, то через него протекают инжекционные токи основных носителей: инжекционный ток электронов I_Эп, обусловленный потоком электронов из эмиттера в базу, и инжекционный ток дырок I_Эр, обусловленный потоком дырок из базы в эмиттер. В реальных прямосмещенных переходах протекает также ток I_Эрек, вызванный рекомбинацией на переходе электронов и дырок друг с другом. Эти составляющие тока образуют прямой ток эмиттера:

. (3.1)

Вклад тока в I_Эрек в общий ток проявляется только при малых прямых

Рис.3.3. Токи в биполярном транзисторе в активном режиме.

токах и в рабочем диапазоне токов им можно пренебречь. Тогда имеем:

. (3.2)

Полезным в токе эмиттера является только ток I_Эп, так как он образован потоком электронов, направленных в сторону коллектора и может участвовать в создании полезного тока коллектора. Ток же I_Эр замыкается по базовой цепи и не протекает в цепи коллектора.

Эффективность работы эмиттерного перехода в активном режиме характеризуется коэффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает долю полезной составляющей тока эмиттера в общем токе эмиттера. Для обеспечения высокой эффективности работы эмиттерного перехода необходимо обеспечить, чтобы . Это возможно, как видно из (3.3), при выполнении условия . Для этого необходимо, чтобы концентрация носителей тока в эмиттере была выше, чем в базе, не менее чем на два порядка. Это условие обычно и выполняется в реальных транзисторах.

Рассмотрим поведение электронов, инжектированных из эмиттера в базу. Инжектированные электроны повышают концентрацию электронов около границы с эмиттером, что создает градиент их концентрации в области базы и вызывает их диффузионное движение через базу в направлении к коллектору. Основная часть этих электронов доходит до коллектора, однако некоторая часть их теряется из-за рекомбинации с основными носителями в базе – дырками. Эту потерю можно учесть введением тока рекомбинации электронов в базе I_Брек,. Этот ток замыкается по цепи база-эмиттер и является, как и ток I_Эр, составляющей тока базы. Таким образом, электроны, дошедшие до коллекторного перехода, создают ток

(3.4)

Потери на рекомбинацию в базе можно учесть коэффициентом переноса :

. (3.5)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока электронов, инжектированных из эмиттера в базу, доходит до коллекторного перехода.

Составляющая тока I_Брек вызывает потери полезного потока электронов и, поэтому, является паразитной. Уменьшить величину этого тока можно двумя способами:

- снижением концентрации основных носителей – дырок в области базы. Это требование совпадает с условием увеличения коэффициента инжекции;

- уменьшить ширину базы d, что увеличить вероятность прохождения электронов через базу без рекомбинации. Можно показать, что имеет место приближенное равенство

, (3.6)

где - длина диффузионного смещения электронов в базе. Из (3.6) вытекает, что при выполнения условия , т.е. при тонкой базы, , что повышает эффективность работы транзистора.

Электроны, дошедшие до коллекторного перехода, который находится при обратном смещении, экстрагируются в область коллектора и создают ток коллектора I_K. Эффективность работы коллекторного перехода характеризуется коэффициентом экстракции:

, (3.7)

показывающий долю электронов, перешедших из базы в коллектор. Если в коллекторном переходе отсутствует лавинный пробой, то в современных транзисторах с большой достоверностью можно принять . При наличии лавинного пробоя возрастает в М раз, где М – коэффициент лавинного размножения. В дальнейшем значение М будем считать равной единице, так как транзисторы обычно работают в отсутствие лавинного пробоя коллекторного перехода.

С учетом выражений (3.3), (3.5) и (3.7) имеем:

, (3.8)

где (3.9)

называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера и является одним из основных параметров биполярного транзистора. В современных транзисторах значение , т.е очень близок к единице.

Так как в активном режиме коллекторный переход включен в обратном направлении, то через него как и в обычном р-п переходе, протекает также обратный тепловой ток I_КБ0, создаваемый собственными неосновными носителями областей базы и коллектора и определяемый вольтамперной характеристикой коллекторного р-п перехода. Этот ток не зависит от тока коллектора и является током холостого хода (цепь эмиттера разомкнут). Тогда полный ток коллектора:

,

где V_K – напряжение на коллекторном переходе. Учитывая, что при обратном смещении перехода (V_K <0) справедливо , окончательно для полного коллекторного тока получим:

. (3.10)

Из (3.10) следует более полное выражение длястатического коэффициента передачи тока эмиттера:

. (3.11)

Обычно рабочие токи коллектора , поэтому справедливо соотношение:

. (3.12)

Как видно из рисунка 3.3, ток базы состоит из трех компонент:

(3.13)

Выражения (3.2), (3.10) и (3.13) определяют три основных тока в транзисторе при его работе в активном режиме. По первому закону Кирхгофа для этих токов справедливо равенство:

, (3.14)

называемое уравнением токов транзистора. В (3.11) ток базы является паразитным и для эффективной работы транзистора должно выполняться неравенство .

В схемах с ОЭ и ОК входным током является ток базы. Из (3.14) используя (3.11) для тока базы получим:

. (3.15)

Из (3.15) следует, что при I_Э= 0 (холостой ход транзистора) , т.е. ток базы отрицателен и полностью определяется обратным тепловым током коллекторного перехода. При значении тока эмиттера ток I_Б= 0, а при ток базы становится положительным.

Установим теперь связь между токами базы и коллектора, описывающим работу транзистора в схеме с ОЭ. Для этого (3.14) подставим в (3.11) и полученное равенство решим относительно тока коллектора:

, (3.16)

где (3.17)

называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Так как значение обычно близко к единице, то может быть очень большим и составлять от нескольких десятков до нескольких сотен.

Если введем обозначение (3.18)

то вместо (3.16) можем написать: . (3.19)

Введенный (3.18) ток выражает значение обратного теплового тока в схеме с ОЭ. Этот ток проходит через все области транзистора и является сквозным током. Из (3.18) также видно, что обратный тепловой ток в схеме с ОЭ намного больше, чем в схеме с ОЭ: .

Подставив в уравнение токов транзистора (3.14) (3.10) и решив его относительно тока эмиттера, определим для схемы с ОК связь между током базы и эмиттера:

, (3.20)

где - определяет обратный тепловой ток в схеме с ОК, который по величине равен обратному тепловому току в схеме с ОЭ.

Дата добавления: 2015-05-06