1.2 Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, то есть участка база-эмиттер U_БЭ, существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение U_БЭ, то есть входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Если к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение U_БЭ, а к коллекторному – обратное напряжение, то через эмиттерный переход в область базы будут инжектироваться электроны, образуя эмиттерный ток транзистора I_Э. Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинирует с основными для этой области носителями заряда – дырками, образуя ток базы I_Б. Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода, с помощью электрического поля, создаваемого напряжением U_КБ, подвергается экстракции в коллектор, образуя через переход коллекторный ток I_К'. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление и соответственно увеличивается ток коллектора. Ток коллектора связан с током эмиттера выражением

I_К' = αI_Э, (1)

где α – коэффициент передачи тока эмиттера, α = 0,980 ... 0,995.

Таким образом, эмиттером следует называть область транзистора, на­значением которой является инжекция носителей заряда в базу; коллектором – область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток I_К0, образованный потоком из коллектора в базу неосновных для коллекторной области носителей заряда (дырок).

Таким образом, полный ток коллектора

I_К = αI_Э + I_К0. (2)

Во многих случаях I_Э >> I_К0, и можно считать, что ток коллектора определяется выражением

I_К = αI_Э. (3)

В соответствии с первым законом Кирхгофа

(4)

Из равенств (3) – (4) следует, что

, (5)

где β – коэффициент передачи тока базы.

Следовательно:

, (6)

Так как величина α близка к 1, то β может принимать большие значения. Для интегральных n-p-n-транзисторов оно составляет от 50 до 200.

Согласно формуле (5) биполярный транзистор является усилительным элементом, управляемым током: малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (в результате ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробои коллекторного перехода в транзисторе происходят в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, то есть без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного напряжения. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор-база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания ("прокол" базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.