4.2.      Принцип действия транзистора

Внешние напряжения в нормальном активном режиме подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллек­торного перехода – в обратном направлении. Это достигается с помощью двух источников напряжения UЭБ и UКБ  (рис. 4.3, б). Для p-n-p-транзистора напряжение UЭБ подключается положительным полю­сом к эмиттеру относительно базы, напряжение UКБ  – отрицатель­ным полюсом к коллектору относительно базы (схема с общей базой).

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через p-n-переход в область базы (инжекция дырок), а электроны – из области базы в область эмиттера. Так как удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей преобладает над электронным потоком. Поэтому инжекцией из базы в эмиттер в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока p-n-перехода используют коэффициент инжекции:

,

где  и  – дырочная и электронная составляющие тока эмиттерного перехода;  – полный ток эмиттерного перехода.

Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи р-п-перехода электрический заряд, который в течение времени  компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника  . Аналогично заряд электронов в эмит­тере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток , который направлен из базы.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных тран­зисторах) и разности концентраций и внутреннего электричес­кого поля (в дрейфовых) инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсировавшие их заряд и тем самым обеспечившие электронейтральность базы, движутся в глубь ее по направлению к коллектору.

Если бы база была достаточно толстой (W > 3L, где L – диффузионная длина неосновных носителей в базе), то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней и в области, прилегающей к коллекторному p-n-переходу, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного p-n-перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины, т. е. W << 0,2L. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения ими базы.

Большинство дырок, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного p-n-перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток , направленный в базу транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n-перехода несколько больше тока коллек­торного p-n-перехода.

Относительное число неосновных носи­телей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, характеризуется коэффициентом переноса:

,

где 73_2.gif> ,  – концентрация дырок, прошедших через коллек­торный и эмиттерный переходы; ,  – токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через запертый коллекторный p-n-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации (), они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода и ток коллектора был бы равен току эмиттера.

В действительности только часть () тока эмиттера составляют дырки и только часть их () доходит до коллек­торного перехода. Поэтому дырочная составляющая тока коллектора, вызванная инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный пе­реход, равна

;                 ,

где  – коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неос­новными носителями заряда, через коллекторный p-n-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток Iко. Причины его возникновения те же, что и в единичном p-n-переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи равен:

.                                                      (4.1)

Как известно, обратный ток создается дрейфом неосновных носителей за­ряда из близлежащих областей об­ратно включенного p-n-перехода. По­скольку концентрации неосновных носителей заряда зависят от темпе­ратуры, величина обратного тока также зависит от нее, поэтому этот ток часто называют тепловым. От величины тока эмиттера ток Iко не зависит.

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному пе­реходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному p-n-переходу приложить напряжение, изменя­ющее по этому закону ток эмиттера.

Рассмотрим качественную картину протекания токов через транзистор в рассматриваемой схеме (рис. 4.4). В соответствии с изложенным ток эмиттера () равен сумме дыроч­ной () и электронной () составляющих:

.

Ток кол­лектора () состоит из дырочной составляющей () и теплового тока ():

.

Ток базы () равен алгебраической сумме электронной составляющей тока эмиттера (), рекомбинационной дыроч­ной составляющей () и теплового тока ():

.

Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока () под действием подводи­мого входного тока  (или напряжения UЭБ), обусловливается измене­нием дырочной составляющей колл
екторного тока () за счет измене­ния дырочной составляющей эмиттерного тока  (рис. 4.4).

Таким об­разом, принцип действия биполярного транзистора основан на соз­дании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (вы­ходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока, следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Ток, текущий через эмиттерный переход (), яв­ляется управляющим током, or которого зависит ток  в цепи коллектора () – управляемый ток. Ток базы () представляет собой разность управляющего и управляемого токов (ток рекомбина­ции дырок в базе). Основные носители базы (электроны) при компенсации движения дырок через эмиттерный и коллектор­ный переходы движутся в выводе базы в различных направле­ниях.

Иначе говоря, в рассмотренном режиме через транзистор про­текает сквозной ток: от эмиттера через базу к коллектору. Некоторая, незначительная часть этого тока (Iбp) вследствие рекомбина­ции в толще базы ответвляется в цепь базы (рис. 4.4).

Вообще говоря, током, текущим через транзистор, можно управлять, изменяя напряжение на любом из двух электронно-дырочных переходов. Однако, степень зависимости эмиттерного, а следовательно, и коллекторного тока от напряжений  и  в активном режиме различна.

К эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, и поэтому ток через этот переход, а значит и коллекторный ток сильно зависит от напряжения , возрастая с увеличением этого напряжения по экспоненциальному закону. Таким образом, изменяя напряжение на эмиттерном переходе, можно легко и в значительных пределах управлять током, текущим в транзисторе.

Иным образом зависит значение этого тока от обратного нап­ряжения на коллекторном переходе. Даже если напряжение  = 0, дырки, прошедшие через базу и приблизившиеся к коллек­торному переходу, увлекаются диффузионным полем перехода () в коллекторную область. Подключение обратного напряжения  приводит к увеличению поля в коллекторном переходе до величины:

,

где  – поле за счет подключения напряжения .

Однако при этом коллекторный ток практически не изме­няется, так как независимо от величины ускоряющего поля в коллектор переходят все дырки, которые приходят к коллектор­ному переходу и число которых определяется лишь числом инжек­тированных из эмиттера в базу дырок и их рекомбинацией в базе.

Таким образом, транзистор отвечает требованиям, которые предъявляются к электронным приборам (преобразователям электрических сигналов), он обладает: легкостью управления током в приборе сигналом в его входной цепи и по возможности меньшим влия­нием напряжения в выходной цепи на значение этого тока.

Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа:

          ,                                                      (4.2)

С учетом соотношения (4.1) ток  мож­но выразить через ток :                                  

.                                                (4.3)