Биполярные транзисторы

Принцип работы
Когда ключ разомкнут, ток в цепи эмиттера (далее Э) отсутствует. При этом в цепи коллектора (К) имеется небольшой ток, называемый обратным током К и обозначаемый Iкбо. Этот ток очень мал, так как при обратном смещении К перехода потенциальный барьер велик и непреодолим для основных носителей- дырок коллектора и свободных электронов базы. К легирован примесью значительно сильнее, чем база. Вследствие этого неосновных носителей в коллекторе значительно меньше, чем в базе, и обратный ток К создаётся главным образом неосновными носителями: дырками, генерируемыми в базе в результате тепловых колебаний, и электронами, генерируемыми в К.

Для рассматриваемого p-n-p транзистора принято отрицательное напряжение К-Б откладывать вправо по оси абсцисс.
Выходные характеристики, соответствующие отрицательным значениям напряжения К-Б, в правом верхнем квадранте идут почти горизонтально, но с небольшим подъемом.

Потенциальная диаграмма
Эффективная толщина базы Wэф, т.е. расстояние между границами обедненных слоев, меньше толщины базы W. Увеличение отрицательного напряжения на коллекторе расширяет обедненный слой коллекторного перехода и, следовательно, вызывает уменьшение эффективной толщины базы.
Это явление носит название эффекта Эрли. Модуляция толщины базы объясняет некоторый подъём выходных характеристик при увеличении отрицательного напряжения К-Б. Коллекторный ток при этом увеличивается, так как меньшая часть дырок теряется в базе вследствие рекомбинации с электронами

Принцип действия транзистора
в качестве усилителя
Транзистор - это полупроводниковый прибор, имеющий два р-n перехода, расположенных в одном полупроводниковом монокристалле на расстоянии, значительно меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда. На рис. 1 показано включение транзистора типа р-n-р по схеме с общей базой.
Левый р-n переход называется эмиттерным переходом, а его р-область - эмиттером. Правый р-n переход называется коллекторным переходом, а его p-область - коллектором. Заключенная между эмиттером и коллектором n-область называется базой транзистора. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор n-типа, а база p-типа, называется транзистором n-p-n-типа.

Энергетическую диаграмму транзистора можно построить на основе энергетической диаграммы p-n структуры, причем каждый переход имеет свой потенциальный барьер, препятствующий переходу основных носителей в соседнюю область.
Состояние транзистора, при котором отсутствует напряжение на p-n переходе между эмиттером и базой (Э - Б), называют равновесным (рис.а). В равновесном состоянии на обоих переходах устанавливается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающих в обе стороны.

В рабочем режиме на переходы транзистора подаются постоянные напряжения Uэб и Uкб, которые создаются источниками э.д.c. Еэ и Ек в эмиттерной и коллекторных цепях.
При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения смещения Uэб потенциальный барьер этого перехода уменьшается и нарушается равновесное состояние. В результате начнётся взаимная инжекция носителей в базу и эмиттер . При этом в базу инжектируются дырки, которые преодолевают уменьшившийся потенциальный барьер. Эти дырки проходят через базу и далее через коллекторный переход в коллектор, образуя коллекторный ток Iк, протекающий через нагрузочное сопротивление Rн. Небольшая часть дырок рекомбинирует в базе, образуя ток базы Iб. Этот ток очень мал, так как база имеет незначительную длину (меньше длины свободного пробега) и рекомбинация в ней мала.

распределение носителей Pn, инжектированных эмиттером в базу, изменяется по линейному закону .
Следует отметить, что реальное распределение носителей несколько отличается от линейного закона, что объясняется процессом рекомбинации некоторого числа дырок с электронами. На рис.2 индексом "0" обозначены равновесные концентрации носителей. Распределение носителей Np в области эмиттера аналогично их распределению в диоде при прямом включении, а распределение в области коллектора такое же, как в диоде при обратном включении (рис.2). Все рассмотренные законы распределения носителей действительны только для бездрейфового транзистора.

Токи в транзисторе
В результате снижения потенциального барьера на эмиттерном переходе из эмиттера в базу начинается диффузионное движение основных носителей. Так как дырок(электронов) в эмиттере (базе) много больше, чем в базе(эмиттере), то коэффициент инжекции весьма высок. Концентрация дырок в базе увеличивается. Появившийся вблизи эмитерного перехода объемный положительный заряд почти мгновенно компенсируется зарядом электронов входящих в базу от источника Uэб. Цепь тока Эмиттер-База замкнута. Электроны, устремившиеся в базу, создают вблизи эмитерного перехода объемный отрицательный заряд. Около перехода образуется область повышенной концентрации дырок и электронов. Они начинают диффундировать в сторону коллектора. Так как база узкая, то дырки (неосновные носители) не успевают прорекомбинировать и, попадая в ускоряющее поле коллекторного перехода, втягиваются в коллектор. Этот процесс называется экстракция. Электроны же, число которых равно числу ушедших в коллектор дырок, устремляются в базовый вывод. Цепь коллектор-база замкнута.

Схема замещения транзистора и ее параметры
Рассмотрим значение толщины базы W, W' и коллектора dk, dk' при различных значениях коллекторного напряжения Uкб и U'кб с помощью диаграмм (рис.2).
Видно, что при заданном значении тока Iэ на входе и изменении напряжения Uкб на U'кб одновременно с сокращением ширины базы изменяется распределение концентрации зарядов Pn, так прямая 1 переходит в прямую 2, имеющую больший угол наклона. Такому изменению распределения соответствует увеличение эмитерного напряжения. Следовательно, коллекторное напряжение, модулируя толщину базы, одновременно воздействует на эмитерное напряжение.

При включении транзистора по схеме с общей базой (рис.1) входным является ток эмиттера, а выходным - коллектора.
Если Vкб=0, то Iэ ~ [ exp( q * Vэб / k * T ) - 1 ] (рис.2, кривая 1). При Vкб < 0 и Vэб=0 эмитерный ток, как следует из (2) отличается от нуля. Обычно при работе транзистора в режиме усиления | Vкб | > 2,3k * T / q, но тогда p(W) = -pn, а p = pn. Таким образом, в рассматриваемой ситуации в базе транзистора существует градиент концентрации дырок и Iэ не равно 0. Для компенсации этого тока на эмитерный переход необходимо подать смещение в запорном направлении ( рис. 2, кривая 2).
Схема с общей базой

все выходные характеристики при Iэ не равному 0 начинаются в области положительных значений Vкб ( рис. 3, кривые 2 и 3 ).Поскольку a0 ~ 1, Iк0<
, то из (5) видно, что Iк Iэ и фактически не зависит от Vкб в области его отрицательных значений. При достаточно больших обратных смещениях на коллекторном переходе в нем развивается обычно лавинный пробой и на выходной характеристике появляется участок резкой зависимости Iк от Vкб (рис. 3). Большой ток может протекать через транзистор и в случае прокола базы, когда эмиттерный и коллекторный переходы сомкнутся за счет расширения ООЗ последнего при увеличении Vкб.

Схема с общим эмиттером
На практике довольно часто используются транзисторы, включенные по схеме с общим эмиттером .
В этой схеме входным является ток базы, а выходным, как и в предыдущем случае, ток коллектора.
Анализ общего вида входных характеристик, представляющих собой зависимость Iб от Vбэ при фиксированных значениях Vкэ
Если Vкэ=0, то входная характеристика должна изображаться кривой, выходящей из начала .координат (рис. 5, кривая 1), так как при Vбэ = 0 Vбк и Iк0 также равны нулю. При Vкэ < 0 и Vбэ = 0 коллектор должен быть смещен в запорном направлении. Тогда при Vбэ = 0 Iб = - Iк0, то есть начало входной характеристики располагается в области отрицательных значений тока (рис. 5, кривая 2). В целом ход зависимости Iб от Vбэ определяется эмиттерным током ( Iэ exp(q * Vбэ / k * T) - 1 ), и по своей форме входные характеристики подобны вольтамперной характеристике р-n-перехода, смещенного в пропускном направлении.

При перемещении вдоль выходной характеристики в сторону увеличения тока падение напряжения на коллекторном переходе Vkб в области малых значений Vкэ положительно, затем переходит через нуль, меняет знак на противоположный и непрерывно увеличивается. По мере увеличения Vкб, за счет расширения ООЗ коллекторного перехода уменьшается ширина базы транзистора и, следовательно, увеличивается a0 . Это приводит к существенному росту Во [см. (6)] и Iк [см. (8)] при увеличении Vкэ

Схема с общим коллектором
В этой схеме включения так же, как и в предыдущем случае, управляющим (или входным) является ток базы, но роль выходного играет ток эмиттера .
Поскольку a0 ~ 1, то B0*>>1. Входной ток в данном случае практически не зависит от входного напряжения.
выходные характеристики подобны характеристикам транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.
транзистор, включенный по схеме с общим коллектором, обладает высоким сопротивлением на входе и малым на выходе. Это свойство транзистора используется для согласования схем с различными сопротивлениями.

Работа на высокой частоте.
Чтобы охарактеризовать частотные свойства транзистора широко используются частотные характеристики; представляющие собой зависимость модуля коэффициента передачи a от частоты (АЧХ) и фазы Y(a) (ФЧХ) (рис.1). С увеличением частоты W увеличивается сдвиг по фазе Y, обусловленный влиянием инерционных процессов при прохождении неосновных носителей через базу; и в конечном счете уменьшается коэффициент a. В схеме с общим эмиттером величина коэффициента передачи тока базы в более сильной степени зависит от частоты, что приводит к уменьшению граничной частоты в схеме с ОЭ. Уменьшение коэффициента a происходит в результате того, что с повышением частоты ток коллектора отстает от тока эмиттера .