Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе почти 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, обеденные 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 n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются дырки, кото­рые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая реком­бинировать с электронами при диффузии через базу, они доходят до коллектор­ного  перехода.   Чем   больше  ток  эмиттера,  тем   больше   дырок   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 .

Данное одному из электродов транзистора название «эмиттер» подчеркивает, что происходит инжекция дырок из эмиттера в базу.

 По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть 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 пе­реход, 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 токов:

                                                                          (4.3)

Важным свойством транзистора является приблизительно линейная зависи­мость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются приблизи­тельно пропорционально друг Другу. Пусть, для примера, =10мА,  = 9,5 мА, = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА. то остальные токи возрастут также на 20%:  = 0,5 + 0.1 = 0,6 мА и = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т.е. 12 мА=11,4 мА + 0,6 мА.

А   для   приращения т  оков    справедливо   равен­ство  (4.3)  т .е.

                         2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.

  Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа р-п-p.

 Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая показана на рис. 4-2 для тран­зистора типа р-n-p.

Рис. 4-2.  Потенциальная диаграмма транзистора

Эту диаграмму удобно использовать для создания механи­ческой модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение , тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность по­тенциалов, ускоряющую движение дырок. В механической модели шарики, аналогич­ные дыркам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем уско­ренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах при­ходится учитывать еще ряд явлений.

Существенное влияние на работу транзисторов оказывает сопротивление базы , т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы . Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллек­тор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока , ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы  (его называют попе­речным) достигает сотен Ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение , между выводами базы и эмиттера, так как часть подво­димого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления  можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4-3. На этой схеме — сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение  у маломощных транзисторов достигает десятков Ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов   больше и   соответственно меньше. При­ближенно  определяется формулой (в Омах)

                                                      (4.4)

где ток , выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора  представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоОм. В него вхо­дит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис (4-3) является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов.

                                           r эо                     r ко

                                                              r Бо

                                            E 1                      E 2

Рис (4-3)  Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, являющееся главным образом результа­том ударной ионизации. Это явление и туннельный, эффект могут вызвать электрический пробой, который   при  возрастании  тока  может  перейти  в тепловой  про­бой перехода.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопро­вождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор - база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накоп­ление неосновных носителей заряда в базе. т. е. увеличение концентрации и сум­марного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием носителей заряда в базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзи­стора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

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,  так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

                                                                                (4.5)

где - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора: он 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 еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток  (рис. 4-4), называемый начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

                                                                        (4.6)

Во многих случаях , и можно считать, что . Если надо измерить,  то это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при  ток .

Преобразуем выражение (4.6) так, чтобы выразить за­висимость  тока от  тока  базы Заменим  ,  суммой:   где: - ток коллектора     

                       -ток базы

                         -ток эмиттера 

Рис. 4-4. Токи в транзисторе        

Решим уравнение   относительно  .

Тогда получим:

Обозначим:

                                      и    

и напишем окончательное выражение

                                                                          (4.7)

Здесь  является коэффициентом передачи тока базы  и  составляет  десятки единиц. Например, если  = 0,95, то

а если коэффициент  = 0,99, т. е. увеличился на 0,04, то

т. е.  увеличивается в 5 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 всегда определить  по формуле

                             (4.8)

Ток  называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если , т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при получаем . Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора .Ток , и, зная, что ,    нетрудно найти . А так как , то

                                                              (4.9)

Значительный ток  объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения  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 , ток  резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что если , не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (если в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения , действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток , и равный ему ток , 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 также 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 разрыве провода базы.

3. Статические характеристики биполярного транзистора.

       Схема с общей базой

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транкзистора: общей базой  (ОБ) с общим эмиттером  (ОЭ) и  с общим коллектором (ОК).

                              r эо                    r ко

                                                             r Бо

                                           E 1                       E 2

                                          Рис. 5

Входные характеристики транзисторов в схеме с общей базой  при  определяются зави­симостью (5):

                               (5)

  При большом обратном напряжении коллектора () ток мало зависит от коллекторного напряжения. На рис. 5-1,а по­казаны реальные входные характеристики кремневого транзистора. Они соответствуют теоретической зависимости (5.1), подтверждается и вывод о слабом влиянии коллекторного напряжения на ток эмиттера.

                                                              Рис 5-1

Входная статическая характеристика при UКБ = 0 (ну­левая) подобна обычной характеристике полупроводникового диода, включенного в прямом направлении. При подаче отри­цательного коллекторного напряжения входная характеристика смещается влево. Это свидетельствует о наличии в транзис­торе внутренней обратной связи. Обратная связь возникает в основном из-за сопротивления базы. В схеме с ОБ сопротив­ление базы является общим для входной и выходной цепей.

 При подаче или увеличении коллекторного напряжения по­является или увеличивается IКБo. Кроме этого уменьшается Iэ.рек, так как при увеличении коллекторного напряжения происходит расширение коллекторного перехода и ширина базы уменьшается. Поэтому напряжение Uэб, приложенное к эмит­теру, при увеличении Uкб возрастает, что и объясня­ет увеличение тока эмиттера и смещение влево входной стати­ческой характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Выходные, или коллекторные, статические характеристики представляют собой зависимости Ik = f(Uкб) при Iэ=const. Несмотря на то, что напряжение на коллекторе для транзистора p-n-р отрицательно, характеристики для удобст­ва принято изображать в положительных осях координат. Ну­левая выходная характеристика (IЭ = 0) является обычной характеристикой диода, включенного в обратном направлении. Увеличение тока эмиттера ведет к сдвигу выходной характе­ристики.

Как известно, при появлении тока эмиттера ток коллек­тора увеличивается на величину IK = αIэ ~Iэ. Ток IK можно рассматривать как искусственно созданный допол­нительный ток неосновных носителей коллекторного перехода.

   Поэтому на основании формулы (5.1), где I0 = Ik, мож­но утверждать, что любая выходная характеристика транзис­тора с (ОБ) представляет собой ВАХ полупроводникового диода, смещенную по оси обратного тока на величину Iк.

                      (5.1)

   Начальная область входных характеристик, построенная в соот­ветствии с теоретической зависимостью (5.1), показана на рис.(5-1 а) крупным масштабом (в окружности). Отмечены токи I11 и I12, а так­же эмиттерный ток закрытого транзистора.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6