4.2. Фізичні процеси

Розглянемо, як працює біполярний транзистор, для прикладу з електропровідністю типу n‑р‑n, в режимі без навантаження, коли ввімкненні тільки джерела постійного живлення, напруги Е1 і Е2 (рис.4.2. а). Полярність їх така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному зворотна. Тому опір емітерного переходу малий і для отримання нормального струму в цьому переході досить напруги E1 в десяті долі вольта. Опір колекторного переходу великий, і напруга Е2 звичайно складає одиниці або десятки вольт. З схеми на рис.4.2.а) видно, що напруга між електродами транзистора пов'язана простою залежністю

U_к-е = U_к-б + U_б-е.

П

Рис.4.2. Рух електронів і дірок у транзисторах з електропровідністю типу n-p-n ( а ) і p-n-p ( б )

ри роботі транзистора в активному режимі звичайно завжди U_б-е<<U_к-б і, отже, U_к-е=U_к-б.

Вольт-амперна характеристика емітерного переходу являє собою характеристику напівпровідникового діода при прямому струмі (рис.3.2). А вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна до характеристики діода при зворотній напрузі.

Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряма напруга емітерного переходу, тобто ділянки база емітер (U_б-е)_, істотно впливає на струми емітера і колектора: чим більша ця напруга, тим більший струми емітера і колектора. При цьому зміна струму колектора лише трохи менше за зміну струму емітера. Таким чином, напруга U_б-е, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Підсилення електричних коливань за допомогою транзистора основане саме на цьому явищі. Фізичні процеси в транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги U_б-e, знижується потенціальний бар'єр на емітерному переході і відповідно зростає струм I_е через цей перехід. Електрони цього струму інжектуються з емітера в базу і завдяки дифузії проникають через базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора. Оскільки колекторний перехід працює при зворотній напрузі, то в цьому переході виникають об'ємні заряди, які показані на малюнку кружками із знаками “ + ” і “ ‑ ”. Між ними виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, що прийшли сюди з емітера, тобто втягують електрони в область колекторного переходу.

Якщо товщина бази досить мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. Внаслідок рекомбінації виникає струм бази. Дійсно, в сталому режимі число дірок в базі повинне бути незмінним. Внаслідок рекомбінації кожну секунду певна кількість дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямі до плюса джерела Е таке ж число електронів. Інакше кажучи, в базі не може нагромаджуватися багато електронів. Якщо деяка кількість інжектованих в базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбінуючи з дірками, то точно така ж кількість електронів повинно вийти з бази у вигляді струму І_б. Оскільки струм колектора виходить меншим струму емітера, то згідно з першим законом Кірхгофа завжди існує наступне співвідношення між струмами в транзисторі:

І_е = І_к + І_б

Струм бази є небажаним і навіть шкідливим явищем. Бажано, щоб він був як можна менший. Звичайно І_б складає малу частку (відсотки) струму емітера, тобто І₆ << І_е а отже, струм колектора лише трохи менший струму емітера і можна вважати . Саме для того, щоб струм І_б був як можна менший, базу роблять дуже тонкою і зменшують в ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менше число електронів буде рекомбінувати в базі з дірками.

Якби база мала значну товщину і концентрація дірок в ній була велика, то значна частина електронів емітерного струму, дифундуючи через базу, рекомбінувала б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.

Коли до емітерного переходу напруга не прикладене, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. У цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, оскільки основні носії зарядів віддаляються від цього переходу і по обидві сторони від границі створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з р-області і дірок з n-області.

А

Рис.4.3. Потенціальна діаграма транзистора

ле якщо під дією вхідної напруги виник значний струм емітера, то в область бази зі сторони емітера виникає інжекція електронів, які для даної області є неосновними носіями. Не устигаючи рекомбінувати з дірками при дифузії через базу, вони доходять до колекторного переходу. Чим більше струм емітера, тим більше електронів приходить до колекторного переходу і тим менше стає його опір. Відповідно збільшується струм колектора. Інакше кажучи, із збільшенням струму емітера в базі зростає концентрація неосновних носіїв, які інжектуються з емітера, а чим більше цих носіїв, тим більший струм колекторного переходу, тобто струм колектора.

За прийнятою термінологією, емітером потрібно називати область транзистора, призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. А базою є область, в яку емітер інжектує неосновні для цієї області носії заряду.

Потрібно зазначити, що емітер і колектор можна поміняти місцями (так званий інверсний режим). Але в транзисторах, як правило, колекторний перехід виготовляють зі значно більшою площею, ніж емітерний, оскільки потужність, що розсіюється на колекторному переході, набагато більша, ніж потужність, яка розсіюється на емітерному переході. Тому якщо використати емітер як колектор, то транзистор буде працювати, але його можна застосовувати тільки при значно меншій потужності, що недоцільно. Якщо площі переходів зроблені однаковими (транзистори в цьому випадку називають симетричними), то будь-яка з крайніх областей може з однаковим успіхом працювати в якості емітера або колектора.

Оскільки в транзисторі струм емітера завжди рівний сумі струмів колектора і бази, то приріст струму емітера також завжди дорівнює сумі приростів колекторного і базового струму:

Важливою властивістю транзистора є приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струми транзистора змінюються майже пропорційно один одному.

Ми розглянули фізичні явища в транзисторі типу n-р-n. Подібні ж процеси відбуваються в транзисторі типу р-n-р, але в ньому міняються ролями електрони і дірки, а також змінюється полярність напруг і напрямки струмів (рис. 4.2.б). В транзисторі типу р-n-р з емітера в базу відбувається інжекція не електронів, а дірок, які є для бази неосновними носіями. Із збільшенням струму емітера більше таких дірок проникає через базу до колекторному переходу. Це спричиняє зменшення його опору і зростання струму колектора.

Роботу транзистора можна наочно представити за допомогою потенціальної діаграми, яка наведена на рис.4.3 для транзистора з електропровідністю типу n-р-n. Цю діаграму зручно використати для створення механічної моделі транзистора. Потенціал емітера прийнятий за нульовою. У емітерному переході є невеликий потенціальний бар'єр. Чим більша напруга U_б-е, тим нижчий цей бар'єр. Колекторний перехід має значну різницю потенціалів, яка прискорює електрони. У механічній моделі кульки, аналогічні електронам, за рахунок своїх власних швидкостей підіймаються на бар'єр, аналогічний емітерному переходу, проходять через область бази, а потім прискорено скочуються з гірки, аналогічної колекторному переходу.

Крім розглянутих основних фізичних процесів в транзисторах доводиться враховувати ще ряд явищ.

І

Рис.4.4. Еквівалентна схема транзистора для постійного струму

стотно впливає на роботу транзисторів опір бази r_б, тобто опір, який база складає для струму бази І_б0 (нуль в індексі тут означає, що дана величина відноситься до постійного струму.) Цей струм протікає до виводу в напрямку, перпендикулярному напрямку емітер-колектор. Оскільки база дуже тонка, то в напрямку від емітера до колектору, тобто для струму І_к, її опір дуже малий і не береться до уваги. А в напрямку до висновку бази опір бази r_б (його називають поперечним) досягає сотень ом, оскільки в цьому напрямі база аналогічна дуже тонкому провіднику. Напруга на емітерному переході завжди менше, ніж напруга U_б-е між виводами бази і емітера, оскільки частина напруга, що підводиться втрачається на опорі бази. З урахуванням опору r_б0 можна зобразити еквівалентну схему транзистора для постійного струму так, як це зроблене на рис.4.4. На цій схемі r_е0 опір емітера, в який входять опір емітерного переходу і емітерної області. Значення r_е0 в малопотужних транзисторів досягає десятків ом. Це випливає з того, що напруга на емітерному переході не перевищує десятих часток вольта, а струм емітера в таких транзисторах складає одиниці міліампер. У більш потужних транзисторів I_е0 більший, а r_е0 відповідно менший. Опір r_е0 визначається формулою (в омах)

r_е0 ≈ 25 / І_е0,

де струм І_е0 підставляється в міліамперах.

Опір колектора r_к0 є практично опором колекторного переходу і складає одиниці і десятки кілоом. У нього входить також опір колекторної області, але він порівняно малий і ним можна нехтувати.

Схема на рис.4.4 є достатньо наближена, оскільки насправді емітер, база і колектор мають між собою контакт не в одній точці, а у безлічі точок по всій площі переходів. Проте ця схема може застосовуватися для розгляду багатьох практичних процесів в транзисторі.

При підвищенні напруги на колекторному переході в ньому відбувається лавинне розмноження носіїв заряду (головним чином в результаті ударної іонізації). Це явище і тунельний ефект здатні викликати електричний пробій, який при зростанні струму може перейти в тепловий пробій переходу. Електричний і тепловий пробої колекторного переходу в транзисторі відбуваються в основному так само, як і в напівпровідниковому діоді. Але в транзисторі при надмірному колекторному струмі може виникати тепловий пробій без попереднього електричного пробою, тобто без підвищення напруга на колекторному переході до пробивної. Це явище, яке пов'язане з перегрівом колекторного переходу в окремій його частині, отримало назву вторинного пробою.

Зміна напруги на колекторному і емітерному переходах супроводжується зміною товщини цих переходів. У результаті змінюється товщина бази. Таке явище називають модуляцією товщини бази. Це явище необхідно враховувати при підвищенні напруга колектор база, оскільки тоді товщина колекторного переходу зростає, а товщина бази зменшується. При дуже тонкій базі може статися ефект змикання (“прокол” бази) з'єднання колекторного переходу з емітерним. У цьому випадку область бази зникає і транзистор перестає нормально працювати.

При збільшенні інжекції носіїв з емітера в базу відбувається нагромадження неосновних носіїв заряду в базі, тобто збільшення концентрації і сумарного заряду цих носіїв. Навпаки, при зменшенні інжекції відбувається зменшення концентрації і сумарного заряду неосновних носіїв у базі. Цей процес називають розсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі.

У ряді випадків необхідно враховувати протікання по поверхні транзистора струмів витоку, що супроводжується рекомбінацією носіїв у поверхневому шарі областей транзистора.

Встановимо співвідношення між струмами в транзисторі. Струм емітера керується напругою на емітерному переході, але до колектора дійде трохи менший струм, який можна назвати керованим колекторним струмом І_к.кер. Частина носіїв, які виникають за рахунок їх інжекції з емітера в базу рекомбінує, тому

І_к.кер =αІ_е,

де α - коефіцієнт передачі струму емітера, що є основним параметром транзистора; при типових значеннях струмів емітера він може приймати значення від 0,950 до 0,998.

Рис. 4.5. Струми в транзисторі

По мірі послаблення рекомбінація інжектованих носіїв в базі, значення α прямує до 1. Через колекторний перехід завжди проходить дуже невеликий (не більше за одиниці мікроампер) некерований зворотний струм І_к0 (рис. 4.5), який називають також ще початковим струмом колектора. Він некерований тому, що не проходить через емітерний перехід. Таким чином, повний колекторний струм

І_к = αІ_е + І_к0

У багатьох випадках І_к0 << І_е і можна вважати, що Якщо треба виміряти І_к0, це роблять при обірваному виводі емітера. Дійсно, з формули (4.6), випливає що при І_е = О струм І_к =І_к0.

Перетворюємо вираз (4.6) так щоб отримати залежність струму І_к від струму бази І_б. Замінимо І_е сумою струмів І_к +І_б

І_к = α(І_к + І_б) +І_к0·

Вирішимо це рівняння відносно І_к. Тоді отримаємо

позначимо

, а

і напишемо остаточний вираз

І_к =βІ_б + І_(к-е)0·

Тут β коефіцієнт передачі струму бази і становить декілька десятків. Наприклад, якщо α= 0,95, то

,

а якщо α = 0,99, що означає, що α збільшився на 0,04

,

тобто β збільшився в понад п'ять разів.

Таким чином, незначні зміни α приводять до великих змін β . Коефіцієнт α, так само як і β, відноситься до важливих параметрів транзистора. Якщо відомий α, те можна визначити β за формулою

.

Потрібно відзначити, що коефіцієнт α не є сталим. Він залежить від режиму роботи транзистора, зокрема від струму емітера. При малих і великих струмах α зменшується, а при деякому середньому значенні струму досягає максимуму. У межах робочих значень струму емітера α змінюється порівняно мало.

Коефіцієнт β змінюється в залежності від режиму роботи транзистора набагато більше, ніж коефіцієнт α. При деякому середньому значенні струму емітера коефіцієнт α максимальний, а при менших і великих струмах він знижується, причому іноді в декілька разів.

Струм І_ке0 називають початковим наскрізним струмом, оскільки він протікає через весь транзистор (через три його області і через обидва n-р-переходи) в тому випадку, якщо І_б = 0, тобто обірваний вивід бази. Дійсно, з рівняння (4.7) при І_б = 0 отримуємо І_к = І_ке0. Наскрізний струм складає десятки або сотні мікроампер і значно перевершує початковий струм колектора І_к0). Струм I_(к-е)0 = І_к0 / (1- α) і, знаючи, що α /(1 - α) =β , неважко знайти І_(к-е)0 = (β + 1) І_к0 ,а оскільки β >> 1, то

Порівняно велике значення струму І_ке0 пояснюється тим, що деяка частина напруга u_к прикладена до емітерного переходу, як пряма напруга. Внаслідок цього зростає струм емітера, а він в цьому випадку і є наскрізним струмом.

При значному підвищенні напруга U_к-е струм I_ке0 різко зростає і відбувається електричний пробій. Необхідно зазначити, що, якщо U_к-е не дуже мала, то при обриві кола бази іноді в транзисторі може спостерігатися швидке, лавиноподібне збільшення колектора струму, що приводить до перегріву і виходу транзистора з ладу (при умові, що в колі колектора відсутній резистора, який обмежує зростання струму). У цьому випадку відбувається наступний процес: частина напруга U_к-е, діюча на емітерному переході, збільшує струм I_е і практично рівний йому струм I_к, на колекторний перехід надходить більше носіїв, його опір і напруга на ньому зменшуються, і за рахунок цього зростає напруга на емітерному переході, що приводить до ще більшого зростання струму і т. д. Щоб цього не сталося, при експлуатації транзисторів забороняється розривати коло бази, якщо не вимкнено живлення кола колектора. Треба також спочатку ввімкнути живлення кола бази, а потім живлення кола колектора, але не навпаки.

ХАРАКТЕРИСТИКИ І ПАРАМЕТРИ БІПОЛЯРНИЙ ТРАНЗИСТОРІВ