Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, то есть участка база-эмиттер U _БЭ, существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение U _БЭ, то есть входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Если к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение U _БЭ, а к коллекторному – обратное напряжение, то через эмиттерный переход в область базы будут инжектироваться электроны, образуя эмиттерный ток транзистора I _Э. Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинирует с основными для этой области носителями заряда – дырками, образуя ток базы I _Б. Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода, с помощью электрического поля, создаваемого напряжением U _КБ, подвергается экстракции в коллектор, образуя через переход коллекторный ток I _К '. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление и соответственно увеличивается ток коллектора. Ток коллектора связан с током эмиттера выражением

I _К ' = α I _Э, (1)

где α – коэффициент передачи тока эмиттера, α = 0,980... 0,995.

Таким образом, эмиттером следует называть область транзистора, на­значением которой является инжекция носителей заряда в базу; коллектором – область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток I _К0, образованный потоком из коллектора в базу неосновных для коллекторной области носителей заряда (дырок).

Таким образом, полный ток коллектора

I _К = α I _Э + I _К0. (2)

Во многих случаях I _Э >> I _К0, и можно считать, что ток коллектора определяется выражением

I _К = α I _Э. (3)

В соответствии с первым законом Кирхгофа

(4)

Из равенств (3) – (4) следует, что

, (5)

где β – коэффициент передачи тока базы.

Следовательно:

, (6)

Так как величина α близка к 1, то β может принимать большие значения. Для интегральных n-p-n-транзисторов оно составляет от 50 до 200.

Согласно формуле (5) биполярный транзистор является усилительным элементом, управляемым током: малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (в результате ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробои коллекторного перехода в транзисторе происходят в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, то есть без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного напряжения. 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.

1.3. Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора:

1. активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный – в закрытом (соответствует открытому состоянию транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном).

Работа биполярного транзистора в активном режиме основана на сочетании процессов инжекции носителей через один переход и собирания их на другом переходе. Концентрация примесей в эмиттере значительно больше, чем в базе и коллекторе. Поэтому электронная составляющая тока n-p-n -транзистора является преобладающей. В активном режиме ток коллектора управляется током эмиттера (или напряжением эмиттерного перехода) и почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку последний смещен в обратном направлении. Активный режим является основным, если транзистор используется для усиления сигналов.

2. режим насыщения, при котором оба перехода открыты (соответствует состоянию насыщения, когда эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении),

Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера (порядка единицы – десятки милливольт) этот режим используется для замыкания электрических цепей.

3. режим отсечки, при котором оба перехода закрыты (соответствует закрытому состоянию транзистора, когда эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении),

Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю и его сопротивление имеет максимальное значение, то этот режим используется для размыкания электрических цепей.

Режимы отсечки и насыщения биполярных транзисторов являются ос­новными, когда они работают в ключевых и логических схемах.

4. инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт.

При этом режиме эмиттер играет роль коллектора, а коллектор – эмиттера.

Исходя из реальной структуры несимметричного транзистора, этот режим работы приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой транзистора в активном режиме, и поэтому на практике применяется крайне редко.

Для симметричного транзистора (с одинаковыми площадями эмиттерного и коллекторного переходов) коллектор и эмиттер взаимозаменяемы. Инверсный режим работы такого транзистора используется в двунаправленных ключах.

Дата добавления: 2015-07-02