Физические процессы

Рассмотрим принцип работы транзистора типа п – р – п,в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений E₁и Е₂(рис. 24а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эммитерного перехода мало, и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения E₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е₂обычно составляет единицы или десятки вольт.

Из схемы на рис. 24а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависи­мостью: u_к-э = u_к-б+ u_б-э.

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда u_б-э<<<< u_к-б и, следовательно, u_к-э ≈ u_к-б.

Рис. 24. Движение электронов и дырок в транзисторах типа п – р – п

и р – п – р

Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе. А вольтамперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база – эмиттер (u_б-э), 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_б-э, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения u_б-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера i_э. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками « + » и «–». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколь­ко-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E₁такое же число электро­нов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока i_б. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

i_э = i_к + i_б . (28)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно i_б составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е. i_б << i_э,а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера, и можно считать i_к ≈ i_э. Именно для того, чтобы ток i_б был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из п-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток коллектора i_к.

Эмиттером называют область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока:

Δ i_э = Δ i_к + Δ i_б . (29)

Важное свойство транзистора − приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п – р – п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р – п – р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 24б). В транзисторе типа р – п – р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

Работу транзистора можно наглядно представить с помощью механической модели. В ней шарики, аналогичные электронам, за счет собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током i_к.упр. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

i_к.упр. = i_э , (30)

Рис. 25. Токи где – коэффициент передачи тока эмиттера,

в транзистореявляющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе к 1. Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый об­ратный ток i_к0(рис. 25), называемый еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким обра­зом, полный коллекторный ток

i_к = i_э + i_к0 . (31)

Во многих случаях i_к0 << i_э,и можно считать, что i_к ≈ i_э. Если надо измерить i_к0, это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (31) следует, что при i_э= 0 ток i_к = i_к0 .

Преобразуем выражение (31) так, чтобы выразить зависимость тока i_к от тока базы i_б. Заменим i_э суммой i_к + i_б: i_к = (i_к + i_б) + i_к0.

Решим это уравнение относительно i_к. Тогда получим

. Обозначим и

и напишем окончательное выражение

. (32)

Здесь – коэффициент передачи то­ка базы и составляет несколько десятков. Например, если = 0,95, то = 19, а если = 0,99, т. е. увеличился на 0,04, то = 99, т. е. увеличился в пять с лишним раз.

Таким образом, незначительные изменения приводят к большим изме­нениям . Коэффициент , так же, как и , относится к важным параметрам транзистора. Если известен , то можно определить по формуле: = /(1+ ).

Следует заметить, что коэффициент не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера изменяется сравнительно мало.

Коэффициент изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент . При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.

Ток называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба п – р-перехода) в том случае, если i_б = 0, т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (32) при i_б= 0 получаем ток i_к = . Сквозной ток составляет десятки или сотни микро­ампер и значительно превосходит начальный ток коллектора i_к0. Ток = i_к0 / (1 – ), и, зная, что = /(1 –– ), нетрудно найти = ( + 1) i_к0. А так как >>1, то

≈ i_к0 . (33)

Сравнительно большой ток объясняется тем, что некоторая часть напряжения u_к-э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения u_к-э ток резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если u_{к- э} не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, огра­ничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения u_к-э, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток i и равный ему ток i_к, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток , то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.