Рис. 8.6 Принцип работы транзистора. Включение транзистора по схеме с общей базой.
В активном режиме (существуют и другие режимы), к эмиттерному
p-n переходу прикладывается напряжение Еэ в прямом (пропускном) направлении, а к коллекторному p-n переходу прикладывается напряжение Екв обратном направлении.
При этом Ек » Еэ (рис. 8.6).
При замыкании ключа К1
к эмиттеру приложен +ЕЭ; к, базе – Еэ, к участку эмиттер-база приложено напряжение в прямом направлении. Через эмиттерный переход пойдет прямой ток, создаваемый направленным движением основных носителей заряда: инжекция дырок из эмиттера(в базе они станут неосновными) и электронов из базы (в эмиттере они станут неосновными).
Рис. 8.7 Принцип работы транзистора, б-э переход в прямом включении.
Если разомкнуть К1, а К2 замкнуть,
к коллектору приложен – ЕК; к базе + ЕК, переход закрыт и в цепи пойдет незначительный обратный ток Iкo (неосновных носителей).
Рис. 8.8 Принцип работы транзистора, б-к переход в обратном включении.
Если замкнуть все ключи,
это основной (активный) режим работы транзистора.
К участку эмиттер-база приложено напряжение в прямом направлении. Через эмиттерный переход проходит прямой ток, обусловленный перемещением дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер.
Рис. 8.9 Принцип работы транзистора, токи
Т.к. концентрация носителей заряда в базе много меньше, чем в эмиттере, то количество дырок, проходящих в базу, намного превышает количество электронов, движущихся в противоположном направлении.
где g - коэффициент инжекции эмиттерного перехода.
IPЭ, InЭ - диффузионные токи основных носителей открытого базо-эмиттерного перехода.
Коэффициент инжекции эмиттерного перехода g показывает, какая часть эмиттерного тока состоит из заряда, инжектированного в базу.
Только инжектированные носители в эмиттер создают эффект усиления (рассмотрим ниже), поэтому желательно, чтобы коэффициент инжекции был как можно выше (обычно g > 0,99).
Поэтому почти весь ток через эмиттерный переход обусловлен дырками (для p-n-p транзистора).
Дырки, попав в базу, для которой они являются неосновными носителями заряда, будут рекомбинировать с электронами.
Т.к процесс рекомбинация - не мгновенный, а толщина базы мала, то
почти все дырки успевают пройти через тонкий слой базы и достигнут коллекторный переход раньше, чем произойдет рекомбинация.
Подойдя к коллектору, дырки начинают испытывать действие электрического поля, созданного источником напряжения Ек.
Это поле для дырок является ускоряющим, и поэтому они быстро втягиваются из базы в коллектор и участвуют в создании дрейфового коллекторного тока 1К.
Не все инжектированные эмиттером носители доходят до коллектора, некоторая их часть рекомбинирует в базе:
Ipк = k IPЭ (8.5)
где k - коэффициент переноса
Коэффициент переноса (k) показывает, какая часть инжектированных носителей дошла до коллектора, не прорекомбинировав.
Коэффициент переноса зависит от времени жизни неосновных носителей в базе и ее ширины W.
Чтобы обеспечить перенос инжектированных носителей через базу транзистора необходимо, чтобы диффузионная длина была больше ширины базы транзистора
Lp >>W (8.6)
Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокие значения коэффициента переноса (обычно k > 0,98).
Коллекторный ток состоит из тока носителей заряда, инжектированных эмиттером в базу и обратного тока неосновных носителей коллектора через коллекторный переход Iко поэтому, учитывая (8.4) и (8.5):
Iк = aIЭ +Iко (8.7)
причем a ~ Iк/IЭ при Iко ->0
тогда a = g k (8.8)
a - коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь.
Коэффициенты γ и κ характеризуют вклад инжекционных и рекомбинационных процессов в коллекторный ток, т.е. в работу транзистора и его характеристики.
Чем выше коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь (a), тем выше усиление транзистора по мощности, поэтому иногда этот коэффициент называют коэффициентом усиления транзистора в схеме с общей базой (рассмотрим ниже), т.к. g и k меньше единицы, то и a меньше единицы.
Для n-p-n транзистора можно написать соотношения, аналогичные (8.3) - (8.5), при этом изменяются только индексы, обозначающие тип носителей заряда.
Уравнения, характеризующие соотношения между токами транзистора (рис. 8.9):
Iк = Iэ - Iб, Iк ~ Iэ + Iко (8.9)
Расход электронов на рекомбинацию в базе компенсируется новыми электронами, поступающими в базу через базовый вывод. Поток этих электронов представляет собой базовый ток, равный
Iб = Iэ - Iк (8. 10)
Для тока базы (Iб) можно написать, через α:
Iб = Iэ - Iк = Iэ - αIэ = Iэ(1 - α) - Iко (8.11)
также при Iко ->0
Iэ./ Iб = 1/(1 - α) >> 1 (8.12)
Очень малый процент дырок рекомбинирует с электронами в области базы, поэтому ток базы Iбмал, (Iб ->0) и тогда
Не все инжектированные эмиттером носители доходят до коллектора, некоторая их часть рекомбинирует в базе: