Физические процессы в транзисторе
Рассмотрим прежде всего, как работает п—р—п транзистор в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений UБЭ и UКЭ (рис. 4.2,а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе — обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения UБЭ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, а напряжение UБК обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 4.2,авидно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью:
UКЭ = UКБ + UБЭ . (4.1)
При работе транзистора в активном режиме обычно всегда UБЭ « UКБ и, следовательно, UКЭ ≈ UКБ .
Рис. 4.2. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n – p – n и p – n – p
При увеличении прямого входного напряжения UБЭ понижается потенциальный барьер эмиттерного перехода и соответственно возрастает ток эмиттера IЭ через этот переход. Электроны инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проходят 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 экстракции через коллекторный переход электронов, пришедших от эмиттера, т. е. втягивает 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, протекающий в проводе базы. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:
IЭ = IК + IБ . (4.2)
Обычно IБ составляет (1-2)% от тока эмиттера, т. е. IБ « IЭ , и, следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. можно считать IК ≈ IЭ. Именно для того, чтобы ток IБ был как можно меньше, базу делают очень тонкой.
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.
Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р—п—р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений
и направления токов (рис. 4.2,б).
Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током IК.упр, так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому:
IК.упр = α IЭ , (4.3)
где α — коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; он может иметь значения от 0,97 до 0,998.
Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе α к 1. Через коллекторный переход всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток IК0 (рис. 4.3), называемый начальным обратным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход и резко зависит от температуры. Таким образом, полный коллекторный ток:
IК = α IЭ + IК0 . (4.4)
Рис. 4.3. Токи в транзисторе
Обычно IК0 « IЭ и можно считать, что IК ≈ α IЭ . Если надо измерить IК0, то это делают при оборванном проводе эмиттера.
Преобразуем выражение (4.4) так, чтобы выразить зависимость тока IК от тока базы IБ. Заменим IЭ суммой IК + IБ :
IК = α(IК + IБ)+ IК0 .
Решая это уравнение относительно IК , получим:
Обозначим:
и
(4.5) и (4.6)
и напишем окончательное выражение:
IК =βIБ + IКЭ0 . (4.7)
Здесь β является коэффициентом усиления тока базы и составляет десятки и сотни единиц. Например, если α = 0,98, то:
,
а если коэффициент α= 0,99, т. е. увеличился на 0,01, то: ,
т. е. β увеличивается в 2 с лишним раза.
Таким образом, незначительные изменения α приводят к большим изменениям β. Коэффициент β так же, как и α, относится к основным параметрам транзистора. Если известен β, то можно всегда определить α по формуле:
. (4.8)
Ток IКЭ0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор в том случае, если IБ = 0, т. е. оборван провод базы. Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора
IК0. Ток IКЭ0 = IК0/(1-α), и, зная, что α/(1-α) = β, нетрудно найти:
IКЭ0 = (β+1) IК0 . (4-9)
Значительный ток IКЭ0 объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения UКЭ приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.