4.3 Физические процессы в транзисторной n-p-n-структуре.

Распределение стационарных потоков носителей заряда в активном режиме и токовые соотношения. Распределение стационарных потоков носителей заряда в активном режиме приведено на рис..4.4.

Р ис.4.4. Распределение стационарных потоков носителей заряда в активном режиме

Поскольку концентрация электронов в эмиттере значительно больше концентрации дырок в базе, то прямое включение эмиттерного p-n-перехода сопровождается значительной инжекцией электронов в базу и незначительной инжекцией дырок из базы в эмиттер. Эти потоки носителей заряда обусловливают прохождение через эмиттерный p-n-переход диффузионных токов: дырочного i_эр и электронного i_эп которые определяют ток эммитера:

(4.1)

В результате инжекции электронов из эмиттера концентрация неосновных неравновесных носителей (электронов) в базе у границы с эмиттерным переходом изменяется и может значительно превышать равновесную концентрацию.

Под действием градиента концентрации происходит диффузионное движение инжектированных электронов через базу от эмиттера к коллектору. В процессе диффузионного движения часть электронов, не дойдя до коллекторного перехода, рекомбинирует с дырками. Навстречу этому электронному потоку дырочный поток создаваемый дырками, поступающими из внешней цепи в базу для восполнения потери дырок из-за их рекомбинации с электронами. Оба потока создают ток рекомбинации в базе .

На рис. 4.3 также показаны потоки неосновных носителей заряда, создающие собственный обратный ток коллекторного перехода (поток электронов, движущихся из базы в коллектор, и поток дырок, движущихся из коллектора в базу). Следует отметить, что обратный ток коллекторного перехода не зависит от тока эмиттера и может быть измерен только при (холостой ход, «обрыв» цепи эмиттера). В связи с этим обратный ток коллекторного перехода часто обозначается как .

Инжекция дырок из базы в эмиттер, потоки носителей заряда обусловленные рекомбинацией в базе и потоки неосновных носителей заряда через КП определяют ток базы:

(4.2)

Электроны, инжектированные из эмиттера в базу и достигшие коллекторного p-n-перехода, попадают в его ускоряющее поле и перебрасываются (экстрагируются) в коллекторную п-область. Этот сквозной поток электронов от электрода эмиттера до электрода коллектора является единственным полезным потоком носителей в транзисторе, поскольку определяет возможность усиления электрических сигналов. Этому потоку соответствует полезный ток коллектора:

(4.3)

Этот поток электронов и потоки неосновных носителей заряда через КП определяют полный ток коллектора:

(4.4)

Все остальные потоки в усилении сигнала не участвуют, и поэтому являются побочными. С учетом выше изложенного, полный ток эмиттера, может быть представлен в виде:

(4.5)

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается ко­эффициентом инжекции эмиттера:

(4.6)

Из выражения (4.6) можно выразить электронный ток эмиттера через общий ток эмиттера:

(4.7)

Относительные потери электронов на рекомбинацию в базе учитывают коэф­фициентом переноса:

(4.8)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока электронов, ин­жектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному пере­ходу.

В соответствии с (4.1) и (4.8) можно выразить электронный ток эмиттера через общий ток эмиттера:

(4.9)

Согласно (4.8) и (4.9):

, (4.10)

где

- статический коэффициент передачи тока эмиттера, отношение полезной составляющей тока эмиттера к полному току эмиттера. Обычно полезный ток коллектора значительно больше , поэтому и:

(4.11)

Следует заметить, что с увеличением напряжения на ЭП увеличиваются, хоть и слабо, значения .

Согласно (4.4) , (4.8) и (4.10)

(4.12)

Полученные, согласно распределение стационарных потоков носителей заряда в активном режиме, распределения токов в транзисторной структуре и во внешних цепях, приведены на рис.4.5. (для схемы включения с ОБ) и на рис.4.6. ( для схемы включения с ОЭ).

Р ис.4.5. Распределения токов в транзисторной структуре и во внешних цепях биполярного транзистора для схемы включения с ОБ

Рис.4.6. Распределения токов в транзисторной структуре и во внешних цепях биполярного транзистора для схемы включения с ОЭ

Как видно из рис.4.5. и рис.4.6., дырочный ток ЭП и ток ЭП, обусловленный рекомбинацией в базе замыкаются через ЭП, а обратный ток КП замыкается через КП и эти токи не передаются из эмиттера в коллектор. Таким образом, наличие дополнительных токов к полезному току , приводит только к потерям энергии.

Очевидно, что принцип действия биполярного транзистора не зависит от схемы включения, поэтому приведенные выше токовые соотношения справедливы для трех вариантов схем включения. Однако основным в каждой схеме является уравнение, связывающее входной и выходной токи.

Для включения с ОБ основной является взаимосвязь .

В соответствии с (4.10) выражение (4.4) можно привести к виду основного уравнения при включении с ОБ:

(4.13)

Для включения с ОЭ основной является взаимосвязь . Используя (4.12), и то, что независимо от схемы включения

(4.14)

находим

,

где .

Несложно получить

Тогда основное уравнение для схемы включения с ОЭ

(4.15)

откуда находим

- статический коэффициент передачи базового тока, отношение полезной составляющей тока коллектора к току базы.

Статический коэффициент передачи базового тока, зависит от напряжения на КП и эта зависимость более сильная, чем зависимость статического коэффициента передачи тока эмиттера от напряжения на ЭП.

Для включения с ОК основной является взаимосвязь .

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

Р аспределение стационарных потоков носителей заряда в режиме встречной инжекции и в режиме отсечки (рис.4.7).

Рис. 4.7. Распределение стационарных потоков носителей заряда в режиме встречной инжекции и в режиме отсечки

В режиме встречной инжекции (рис.4.7.а) оба перехода транзистора находятся в открытом состоянии. Как видно из рисунка, в этом режиме и эмиттер, и коллектор инжектируют электроны в базу, в результате чего в структуре протекают два встречных сквозных потока электронов (нормальный и инверсный).

От соотношения этих потоков зависит направление токов, протекающих в цепях эмиттера и коллектора. Вследствие двойной инжекции база транзистора очень сильно насыщается избыточными электронами, из-за чего усиливается их рекомбинация с дырками, и рекомбинационный ток базы оказывается значительно выше, чем в активном или инверсном режимах.

Следует также отметить, что в связи с насыщением базы транзистора и его переходов избыточными носителями заряда, их сопротивления становятся очень маленькими. Поэтому цепи, содержащие транзистор, находящийся в режиме насыщения, можно считать короткозамкнутыми. Учитывая то, что в режиме насыщения напряжение между электродами транзистора составляет всего несколько десятых долей вольта, часто считают, что в этом режиме транзистор представляет собой эквипотенциальную точку.

В режиме отсечки (4.7.б) оба перехода транзистора находятся в закрытом состоянии. Как видно из рисунка, сквозные потоки электронов в режиме отсечки отсутствуют. Через переходы транзистора протекают потоки неосновных носителей заряда, создающие малые и неуправляемые обратные токи переходов. База и переходы транзистора в режиме отсечки обеднены подвижными носителями заряда, в результате чего их сопротивления оказываются очень высокими. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи. Режимы насыщения и отсечки используются при работе транзисторов в импульсных (ключевых) схемах