5.1.3. Принцип действия бт

Предварительно рассмотрим физические процессы в коллекторном переходе в режиме холостого хода по эмиттерной цепи (рис. 5.2).

Обратное смещение на КП подано от источника Е_К, эмиттерная цепь разомкнута, т.е. . Очевидно, что как для физических процессов в БТ, так и процессов в обратно-смещенной диодной структуре характерны следующие этапы:

- встречный дрейф неосновных носителей заряда (ННЗ) через КП из базовой и коллекторной областей под действием диффузионного поля перехода;

- нарушение электрической нейтральности базы и коллектора вследствие накопления избыточных дырок в р-области, а электронов – в n-области;

- восстановление электронейтральности областей путем выведения избыточных электронов из базы во внешнюю цепь и потоком электронов от источника Е_К в коллектор.

Ток во внешних выводах направлен навстречу движению электронов и представляет собой обратный ток КП ( ).

Подадим прямое смещение на эмиттерный переход от внешнего источника (Е_Э) (рис. 5.3). Теперь ток через КП определяется величиной тока ЭП. Процесс прямого взаимодействия переходов происходит в такой последовательности.

1. Инжекция дырок - основных носителей заряда (ОНЗ) из эмиттера в базу вследствие понижения высоты потенциального барьера с помощью внешнего источника Е_Э. Более высокая степень легирования эмиттера в сравнении с базой обеспечивает практическую однонаправленность диффузионного процесса через эмиттерный переход.

2. Диффузионный перенос инжектированных в базу дырок от ЭП к КП вследствие градиента концентраций носителей заряда. Этот процесс сопровождается потерей небольшой части дырок из-за рекомбинации. При толщине базы d_Б, намного меньшей диффузионной длины L_d, основная часть инжектированных в базу дырок (97…99%) достигает коллекторного перехода.

3. Экстракция дырок, достигших коллекторного перехода, с помощью диффузионного поля перехода. При этом появление дополнительных (избыточных) дырок в коллекторе нарушает его электрическую нейтральность.

4. Действие закона электрической нейтральности (ЗЭН) в коллекторной области путем ввода дополнительных электронов из внешнего источника, которые компенсируют избыточный заряд дырок.

5. Взаимная рекомбинация избыточных электронов и дырок в коллекторной области.

Токи эмиттера и коллектора во внешних выводах транзистора являются следствием действия ЗЭН в этих областях структуры. Пересечение зарядами эмиттерного или коллекторного перехода вызывает соответствующие потоки электронов во внешних выводах транзистора. Токи направлены навстречу соответствующим потокам электронов. С формальной точки зрения они протекают от высокого потенциала источника смещения к низкому.

Действие ЗЭН в базовой области проходит в два этапа. В течение первого этапа при подключении эмиттерного перехода к источнику смещения происходит инжекционный вброс в базу дырок через эмиттерный переход. Вследствие действия ЗЭН электронный поток из базового вывода восстанавливает нейтральность базы.

В итоге этого этапа в базовой области накапливается избыточный заряд дырок и электронов , причем = .

Второй стационарный этап действия ЗЭН связан с различием величин потоков дырок через эмиттерный и коллекторный переходы, что приводит к нарушению нейтральности базовой области. В результате действия ЗЭН заряды противоположного знака (электроны) поступают в базу из внешнего базового вывода, восстанавливая ее нейтральность. В итоге эти электроны и дырки рекомбинируют с постоянной времени - временем жизни носителей заряда.

Рассмотренные физические процессы дают возможность сделать заключение о токах и их составляющих во внешних выводах транзистора. Наибольший ток БТ – это ток эмиттера . Заряды, инжектированные эмиттером ( ), в основном экстрагируются коллектором ( ), а малая их часть рекомбинирует в базе:

. (5.1)

Коллекторный ток является током обратно смещенного коллекторного перехода. Этот ток имеет две компоненты: обратный ток коллекторного перехода (ток собственных ННЗ) и ток экстракции (неравновесных ННЗ). Ток экстракции определяется той частью зарядов, инжектированных эмиттером, которые достигли коллекторного перехода и экстрагировались им, т.е. с учетом потерь зарядов на рекомбинацию в базовой области:

,

где - коэффициент передачи эмиттерного тока. Обе компоненты коллекторного тока имеют одинаковое направление, так как являются токами ННЗ (собственных или неравновесных), поэтому

. (5.2)

Базовый ток также состоит из двух компонент, так как нарушение электрической нейтральности базовой области происходит по двум причинам. Первая причина – это рекомбинационные потери зарядов, инжектированных в базу. Вследствие этого фактора во внешнем выводе базы появляется рекомбинационная (управляющая) компонента тока. Этот ток определяется разностью потоков зарядов, инжектированных в базу , и экстрагированных из нее (рис. 5.4), поэтому

. (5.3)

Вторая причина нарушения электронейтральности базовой области – пересечение коллекторного перехода собственными неосновными носителями зарядов, т.е. обратный ток коллекторного перехода (см. рис. 5.4).

Указанные выше компоненты базового тока направлены навстречу друг другу, так как они нарушают нейтральность базовой области разнополярно. Компенсирующие их потоки электронов во внешнем выводе базы также направлены навстречу друг другу. Поэтому полный базовый ток определяется следующим выражением:

. (5.4)

БТ является электронным прибором с токовым принципом управления. С точки зрения внутренних физических процессов в структуре величина выходного (коллекторного) тока может быть изменена только путем варьирования базового (или эмиттерного) тока. Иначе говоря, управляя интенсивностью рекомбинационного процесса в базовой области, изменяют выходной ток.