Принцип действия биполярного транзистора

Рассмотрим физические процессы, происходящие в транзисторе, как в системе двух взаимодействующих p-n – переходов. Выберем для анализа транзистор структуры p-n-p.

Биполярному транзистору присущи некоторые конструктивные особенности: p-n-переходы сформированы очень близко друг к другу на расстоянии меньше длины диффузионного пробега носителей зарядов, поэтому заряды, прошедшие через один переход, могут достичь другого перехода и проникнуть через него; эмиттерную и коллекторную области легируют примесями значительно больше, чем область базы, поэтому концентрация основных носителей (дырок) в эмиттере и коллекторе гораздо выше, чем электронов в базе. Из-за этого области p-n – переходов эмиттер-база (DХ_ЭБ) и коллектор-база (DХ_КБ) смещены в область базы, что дополнительно уменьшает ширину базы. Схематичное изображение транзистора с такими конструктивными особенностями представлено на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Схематичное изображение транзистора структуры p-n-p

Подключение к электродам транзистора внешних источников питания Е_ЭБ плюсом к эмиттеру открывает переход эмиттер-база, а Е_КБ минусом к коллектору закрывает переход коллектор-база.

Через открытый переход эмиттер-база начинает протекать ток эмиттера I_Э – ток основных носителей зарядов: дырки из эмиттера проходят в базу, а электроны из базы – в эмиттер. Поскольку концентрация электронов в базе мала, то в базу проникает больше дырок, чем уходит из неё электронов. Происходит инжекция (проникновение) в базу не основных для неё носителей зарядов – дырок. Инжектированные в базу дырки перемещаются в ней и частично рекомбинируют (соединяются, взаимно уничтожаются) с малым числом электронов, образуя ток базы I_Б. Но ширина базы меньше длины диффузионного пробега дырок, поэтому большая часть дырок избегает рекомбинации и подходит к переходу коллектор-база.

Переход коллектор-база закрыт для электронов (основных носителей зарядов в базе), но для не основных носителей он не представляет препятствия. Наоборот, электрическое поле от Е_КБ в области перехода коллектор-база ускоряет дырки, которые свободно проходят в коллектор, создавая ток коллектора I_К.

Токи в транзисторе связаны соотношением:

. (6.1)

Это – основное уравнение токов в транзисторе.

Основным показателем качества транзистора является коэффициент передачи тока. Различают коэффициент передачи тока эмиттера:

статический и динамический (дифференциальный) . (6.2)

Поскольку ток коллектора всегда меньше тока эмиттера на величину тока базы, коэффициент передачи тока эмиттера всегда меньше единицы. Обычно .

Коэффициент передачи тока базы:

статический и динамический (дифференциальный) . (6.3)

Поскольку ток коллектора всегда больше тока базы, коэффициент передачи тока базы всегда больше единицы. Обычно .

Коэффициенты передачи тока можно выразить один через другой:

; . (6.4)

Коэффициенты передачи тока зависят от режима работы транзистора. Особенно сильно они зависят от тока эмиттера. График зависимости a от I_Э представлен на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Зависимость коэффициента передачи тока эмиттера a от тока эмиттера I_Э

В области 1 малых токов эмиттера a ® 0, так как слишком мало дырок проникает из эмиттера в базу, и они почти все рекомбинируют, не достигая коллектора.

В области 2 средних токов эмиттера a = const, транзистор работает так, как было рассмотрено выше.

В области 3 больших токов эмиттера в базе образуется избыточный заряд не основных носителей, снижается длина диффузионного пробега, растёт количество рекомбинаций, и a снижается.

Дополнительно на работу транзистора влияет величина напряжения на коллекторе. При увеличении U_КБ увеличивается толщина перехода коллектор-база DХ_КБ за счёт области базы. Толщина базы уменьшается. Это явление носит название модуляции ширины базы (эффект Эрли). Из-за эффекта Эрли:

1. Уменьшается число рекомбинаций в базе и время пролёта не основных носителей через область базы, из-за чего уменьшается ток базы и возрастает ток коллектора, что приводит к увеличению коэффициентов передачи тока a и b.

2. При некоторой достаточно большой величине U_КБ ширина базы DХ_Б ® 0, эмиттерный и коллекторный переходы смыкаются, и транзистор переходит в режим лавинного пробоя. Обычно это заканчивается электрическим пробоем цепи коллектор-эмиттер и выходом транзистора из строя.

3. Незначительно возрастает ток эмиттера, так как снижается напряжение U_ЭБ и входное сопротивление r_ЭБ. Это называется обратной связью по напряжению. Численное значение обратной связи определяется как коэффициент .

Более подробные сведения об h-параметрах транзистора можно прочитать в [20].