Токи биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру n-р-n или р-n-р-типа с двумя р-n-переходами (рис. 4). На каждый р-n-переход может быть подано как прямое, так и обратное напряжения (их называют смещением). В зависимости от их сочетания различают разные режимы работы транзистора.

Рис. 4. n-р-n -транзистор

Рассмотрим кратко работу n-р-n-транзистора. На границе раздела полупроводников с n (электронной)- и р (дырочной)-типами проводимостей за счет диффузии возникает область разноименных объемных зарядов. Она образована ионизированными атомами акцепторной и донорной примесей и обеднена подвижными носителями заряда: электронами и дырками. Поле контактной разности потенциалов, образующееся между зарядами, представляет собой потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Если на эмиттерный переход подано прямое смещение (как показано на рис. 4), то потенциальный барьер уменьшается, и из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны. Концентрация дырок в базе обычно существенно ниже концентрации электронов в эмиттере, и инжекцией дырок в эмиттер можно пренебречь. Поэтому ток эмиттера i₃ образуется электронной составляющей потока носителей. Инжектированные из эмиттера электроны являются в базе неосновными носителями зарядов и будут, главным образом за счет диффузии, двигаться сквозь базу по направлению к коллекторному переходу. На коллектор относительно базы подается положительное напряжение, что соответствует обратному смещению коллекторного перехода. Достигшие коллекторного перехода электроны втягиваются его полем в область коллектора и образуют ток коллектора i_к. Так как толщина базы мала, а концентрация дырок в ней невелика, то только небольшая часть электронов рекомбинирует (объединяется) с дырками базы; остальные электроны достигают коллекторного перехода. Рекомбинация электронов в базе вызывает соответствующий ток во внешней цепи - ток базы i_б.

Между токами эмиттера, базы и коллектора существуют очевидные соотношения:

где α - коэффициент передачи тока эмиттера; он принимает, в зависимости от типа транзистора, значения в интервале от 0,95 до 0,99. Из приведенных соотношений получаем зависимость тока коллектора от тока базы:

(2)

Параметр (3)

называется коэффициентом передачи тока базы и составляет 20÷100. Говорят, что в транзисторе происходит усиление тока базы.

3.3. Вольтамперные характеристики биполярного
транзистора в схеме с общим эмиттером

Рис. 5. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Рис. 6. Вольтамперные характеристики кремниевого n-р-n-транзистора КТ315. 1- uкэ =0, 2- uкэ = 5В

Свойства биполярного транзистора определяются семействами статических вольтамперных характеристик, которые выражают взаимосвязь его токов и напряжений. Вид этих характеристик зависит от схемы включения транзистора. Наиболее популярной является схема с общим эмиттером (рис. 5). Входными характеристиками является семейство i_б = F(u_бэ) при u_кэ = const (рис. 6, a). Они подобны характеристикам полупроводникового диода. Выходные характеристики представляют семейство i_к = F(u_кэ) при

i_б = const (рис. 6, б).

При малом u_кэ, когда i_б >0 (т.е. u_бэ ≥ 0,6 В), коллекторный переход (как и эмиттерный) оказывается смещенным в прямом направлении, поэтому не все инжектированные в базу электроны попадают в область коллектора.

Транзистор работает здесь в режиме насыщения, так как увеличение тока базы не приводит к увеличению тока коллектора. Соответствующие этому режиму характеристики сливаются в линию Б. Далее с ростом u_кэ ток коллектора i_к сначала быстро растет, а затем почти не изменяется.

С увеличением тока базы, который является частью тока эмиттера, ток коллектора также возрастает, и статические характеристики смещаются вверх. Транзистор работает здесь в активном режиме и выступает как регулятор тока. Следует отметить довольно высокую линейность связи коллекторного и базового токов, что проявляется в эквидистантном расположении пологих участков коллекторных характеристик. Наконец, при обратном смещении эмиттерного перехода (т.е. u_бэ< 0,6 В) последний заперт, и через транзистор протекает неуправляемый (его называют сквозным) ток i_кэс. Такой режим называется режимом отсечки тока. Характеристика i_б = 0 (линия А) разделяет области активного режима и отсечки.

3.4. Описание транзистора h-параметрами и его
эквивалентная схема

Рис. 7. Транзистор как четырехполюсник

При анализе транзисторных схем в режиме малого сигнала транзистор удобно представлять в виде линейного четырехполюсника (рис. 7) и описывать связь токов и напряжений на входе и выходе четырьмя параметрами. Для описания транзисторов обычно используют удобные в измерении так называемые гибридные h-параметры; введем их.

Возьмем в качестве независимых переменных входной ток i₁ и выходное напряжение u₂. Тогда входное напряжение u₁ и выходной ток i₂ будут некоторыми нелинейными функциями выбранных независимых переменных:

При малых изменениях токов и напряжений приращения входного напряжения и выходного тока для активной области можно записать в виде

.

Здесь производные вычисляются для некоторых постоянных значений тока и напряжения I_1,0, U_2,0, которые характеризуют режим транзистора по постоянному току. Обозначим эти константы

.

Роль малых приращений могут играть малые переменные токи и напряжения с амплитудами I₁, I₂ и U₁, U₂. Тогда зависимость между переменными токами и напряжениями в транзисторе будет описываться системой линейных уравнений с h-параметрами:

(4а)

. (4б)

Согласно (4), параметр h₁₁ является входным сопротивлением транзистора, а h₂₁ - коэффициентом передачи тока при коротком замыкании выхода (U₂ = 0); h₂₂ - выходная проводимость, а h₁₂ - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе (I₁ = 0). Параметр h₂₁ равен α для схемы с общей базой и β - для схемы с общим эмиттером.

Рис. 8. Эквивалентная схема транзистора с использованием h-параметров

Конкретные значения h-параметров различаются для разных типов транзисторов, схем их включения и режима по постоянному току I_1,0, U_2,0; h-параметры могут быть также вычислены из статических вольт-амперных характеристик транзистора, если последние известны.

В соответствии с уравнениями (4) транзистор формально можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 8. Генератор тока h₂₁I₁, в выходной цепи учитывает эффект усиления тока, а генератор h₁₂U₂ отражает наличие напряжения обратной связи во входной цепи.

Эквивалентная схема данного вида может использоваться для исследования транзисторных схем при малом гармоническом сигнале в широком диапазоне частот. В этом случае уравнения (4) записываются для комплексных амплитуд токов и напряжений, а сами h-параметры будут зависящими от частоты комплексными величинами. Для относительно низких частот h-параметры можно считать константами для выбранного режима транзистора по постоянному току. Например, для кремниевого n-р-n-транзистора КТ315Б при I_к0 = 1 мА, U_кэ0 = 10 В h-параметры в схеме с общим эмиттером обычно лежат в интервалах значений: