Физические процессы. Режимы работы транзистора.

В нормальном активном режиме, являющимся основным для усилительных схем,на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. При этом электроны инжектируются из эмиттера в базу, проходят ее почти без рекомбинации (поскольку ширина базы мала) и беспрепятственно попадают в коллектор, находящийся под положительным потенциалом.

Таким образом, при нормальном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители.

При указанной полярности напряжения коллектор способен собирать только электроны, поэтому ток эмиттера должен содержать в основном электронную составляющую. Для этого эмиттер легируют значительно сильнее, чем базу.

В нормальном включении токи коллектора и эмиттера почти одинаковы с точностью до небольшого тока базы. Последний ток компенсирует убыль основных носителей (дырок) в результате рекомбинации, которая имеет место даже при очень малой толщине базы, а также в результате небольшой инжекции дырок из базы в эмиттер.

Сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода очень велико – несколько МОм и более. Поэтому в цепь коллектора можно включать большие сопротивления нагрузки, не изменяя величину коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность. Сопротивление прямо смещенного эмиттерного перехода, напротив, мало. Например, при токе мА оно составляет всего Ом. Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается несравненно меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, т.е. является усилительным прибором.

Необходимо подчеркнуть, что транзистор представляет собой, вообще говоря, обратимый прибор, т.е. эмиттер и коллектор можно поменять местами, сохранив в той или иной мере работоспособность прибора. Такой вывод вытекает из однотипности крайних слоев. Однако в связи с несимметричностью слоев (площадь эмиттерного слоя меньше, чем площадь коллекторного слоя), а также различием материалов эмиттера и коллектора в большинстве типов транзисторов нормальное и инверсное включение неравноценны. Передача тока при инверсном включении значительно хуже, чем при нормальном. Причины этого следующие. Во-первых, в связи с малым легированием коллектора мала электронная составляющая коллекторного тока. Во-вторых, площадь реального коллектора значительно больше эмиттера, поэтому на эмиттер попадает лишь небольшая часть электронов, инжектированных коллектором.

Особое место в работе транзистора занимает режим насыщения или режим двойной инжекции. В этом режиме на обоих переходах – эмиттерном и коллекторном – действуют прямые напряжения. Следовательно, эмиттер и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие от другого слоя.

Если оба перехода смещены в обратном направлении, то через транзистор будет протекать минимальный тепловой ток. Такой режим называется режимом отсечки.

Рассмотрим более подробно физические процессы, протекающие в транзисторе n-p-n в активном режиме, т.е. эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном направлении (рис.7.12).

Рис.7.12

Физические процессы происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения U_эб понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно ток через этот переход . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу. Поскольку толщина базы выбирается такой, что , то подавляющее большинство электронов, инжектированных эмиттером, достигает коллектора, не успев рекомбинировать с дырками базы. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают в его ускоряющее поле и втягиваются в коллектор. В бездрейфовых транзисторах база должна быть электрически нейтральной. Из-за частичной рекомбинации электронов и дырок нейтральность базы нарушается. Для ее восстановления, т.е. для восполнения положительного заряда дырок, в установившемся режиме работы от источника напряжения U_эб в базу вводится необходимое число дырок, которые образуют рекомбинационный ток базы. Физически это соответствует оттоку избытка электронов к источнику U_эб. Кроме того, в цепи базы протекает ток , являющийся обратным током коллекторного перехода. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

. (7.16)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно составляет малую долю тока эмиттера, т.е , а, следовательно, можно считать Именно для того, чтобы ток был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примеси, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.