20.2. Принцип работы биполярного транзистора. Схема с общей базой .
Самый главный вопрос, который содействовал созданию физики полупроводников это «каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?». Создателям транзистора пришлось изобрести теорию, объясняющую явление увеличения выходного тока транзистора PNP-структуры при поступлении на его базу тока в отрицательной полярности.
Ответить на этот вопрос без применения термодинамической теории было просто невозможно. Тогда были изобретены «дырки» - ток электронов в валентной зоне. Подвижность «дырок» научились измерять…
И было придумано много такого, благодаря чему сегодня мы должны создавать физику полупроводников с нуля.
Понятие запрещённой зоны помогает классифицировать
PN-переходы на широкозонные и узкозонные. Но сама идея зонной теории базируется на несуществующих уровнях Ферми, которые невозможно измерить. Возможно, что зонную теорию тоже необходимо пересмотреть.
Квантовая теория к физике полупроводников вообще никакого отношения не имеет.
Так, как квантовую теорию разрабатывали в начале прошлого века, когда неправильно была разработана термодинамика (без теории теплового заряда), то сегодня она тоже нуждается в пересмотре.
Итак, главный вопрос - «каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?» - должен изменить физику полупроводников.
Сначала изложим правила, по которым происходит энергообмен в PN-переходах. Правила:
1. Вход энергии в PN-переход. ( Эффект Зеебека )
1.1.Если в PN-переход поступает тепловая энергия в виде эстафетного тока электронов, то она преобразуется в ЭДС на
PN-переходе. При этом эстафетный ток преобразуется в инжекционный ток. Инжекционный ток имеет тепловую природу, поэтому не может быть вычислен по правилам Киргофа.
1.2.Если входящая энергия создала ЭДС, то эта ЭДС создаёт в
PN-переходе прямой ток, по величине этот ток определяется вольт-амперной характеристикой прямого тока соответствующего
PN-перехода.
2. Выход энергии из PN-перехода. ( Тепловой эффект Пельтье. )
2.1.Если через PN-переход пропускать прямой ток, то на PN-переходе создаётся разность потенциалов (ЭДС) согласно вольт-амперной характеристики прямого тока этого перехода. При этом, электроны, проходящие через PN-переход в прямом направлении выделяют тепловую энергию.
2.2.Если вблизи нет соседних PN-переходов (потенциальных барьеров), то энергия из PN-перехода выходит посредством эстафетных движений (токов) электронов – что соответствует тепловому току при теплопередаче.
Если поблизости от выделяющего тепловую энергию PN-перехода находится другой PN-переход, то он создаёт потенциальную яму – отбирает у эстафеты электрон для заполнения своего электрического барьера, тем самым превращает эстафетный ток в инжекционный. Инжекционный ток имеет тепловую природу и не подчиняется правилам Киргофа для электрической цепи. Инжекционный ток имеет направление в сторону потенциальной ямы – запертого PN-перехода.
3.Вход энергии в запертый PN-переход. (Холодильный эффект Пельтье.)
3.1.Энергия, входящая в запертый PN-переход способна реализовать электронное управление. При входе энергии в запертый PN-переход, сам PN-переход начинает работать сразу в 2-х режимах.
В нём создаётся ЭДС и протекает и прямой и обратный ток, согласно поступившей энергии. (Эффект Зеебека.)
Прямой и обратный токи в запертом переходе возникают из-за обратных связей – один из них является причиной другого.
Инжекционный ток несёт с собой тепловую энергию. Эта тепловая энергия поглощается в запертом PN-переходе и через переход совместно с прямым током протекает и обратный ток, равный по величине прямому току – это соответствует холодильному эффекту Пельтье. Величина ЭДС устанавливается согласно эмиссионному уравнению для прямого тока PN-перехода, и дополнительно она складывается с разностью потенциалов, создаваемой обратным током.
3.2.Кроме энергии электронного управления, запертый PN-переход перехватывает все возможные другие поступающие энергии. В эти энергии входят следующие:
- тепловой ток - световые волны.
- энергия тепла (локальное тепло относительно температуры окружающей среды).
- энергия тепла, возникающая при протекании электрического тока, при конвертировании энергии источника в тепло – это соответствует закону Джоуля-Ленца.
- энергия обратного напряжения. Величина обратного напряжения определяет выходную мощность, и тем самым определяет ответный разогрев запертого перехода. Этот разогрев создаёт тепловой ток, который и определяет положительную обратную связь (ПОС). ПОС в биполярном транзисторе обозначают как эффект Эрли.
Все эти энергии участвуют в процессе управления обратным током.
Рассмотрим работу транзистора как термодинамического электронного прибора в схеме с Общей Базой.
Работу рассмотрим поэтапно, исследуя во времени 4 момента. Такое рассмотрение удобно для понимания термодинамического принципа работы транзистора. На самом деле – в реальности – транзистор включается в работу мгновенно. Итак, 4 момента во времени.
Рис. 20.1. Момент времени 1.
Момент 1. Включение цепи. Токи ещё не начались. Здесь на рисунке 20.1., транзистор показан в виде 3-х областей NPN, Rвх – входное сопротивление, принадлежащее цепи входного сигнала, Rн – сопротивление нагрузки ( или сопротивление для измерения токов коллектора ), Eб – источник напряжения, представляющий из себя входной сигнал. Eк – батарея цепи коллектора. Полярности включения Eб и Eк отмечены знаками «+» и «-».
Рис. 20.2. Момент времени 2.
Момент 2. Через переход База-Эмиттер протекает входной ток. В переходе База-Эмиттер возникает выход тепловой энергии в виде эстафетного тока электронов – обозначен двунаправленными стрелками. Эстафетный ток электронов возникает в том случае, если есть градиент температуры и происходит процесс теплопередачи. В данном случае переход База-Эмиттер теплее холодной потенциальной ямы перехода Коллектор-База. Вольтметр В1, подключенный к переходу База-Эмиттер показывает разность потенциалов (ЭДС), согласно вольт-амперной характеристики прямого тока перехода. В PN-переходе База-Эмиттер протекает прямой ток, обозначенный стрелками.
Рис. 20.3. Момент времени 3.
Момент 3. Эстафетный ток достиг потенциальной ямы – перехода База-Коллектор. У перехода База-Коллектор есть скрытый электрический барьер, который отрывает электрон от эстафеты, заряжая тем самым переход. В результате постоянного отрыва последнего электрона (достигшего перехода База-Коллектор), эстафетный ток преобразуется в инжекционный, направленный от перехода База-Эмиттер в сторону перехода База-Коллектор. Инжекционный ток имеет тепловую природу.
Скрытый электрический барьер перехода База-Коллектор начинает заряжаться, в переходе База-Коллектор возникает ЭДС ( измеряется вольтметром В2). Соответственно этой ЭДС, согласно эмиссионному уравнению перехода База-Коллектор, через переход База-Коллектор
протекает прямой ток – на схеме обозначен стрелками.
Рис. 20.4. Момент времени 4.
Момент 4. Электроны инжекционного тока приносят в переход энергию. Через PN-переход База-Коллектор начинает протекать обратный ток, согласно холодильному эффекту Пельтье. Величина обратного тока зависит от полученной энергии от перехода База-Эмиттер. Поэтому ток коллектора Ik не превышает Ib. Тепловая энергия, забираемая от перехода База-Эмиттер определяется резистором RD. RD. – это добавочное сопротивление в цепи База-Эмиттер. Оно определяет отрицательную обратную связь.
Вольтметр В2 показывает уже не ЭДС в чистом виде, некую сумму этой ЭДС и разности потенциалов, создаваемой обратным током. ЭДС прямого тока перехода База-Коллектор существует, и ток коллектора Ik без неё был бы невозможен. Усилитель по схеме с общей базой работает!
Если к коллектору приложить высокое напряжение (порядка 100 Вольт для кремниевых транзисторов), то это напряжение не попадёт на вывод эмиттера, по той простой причине, что у инжекционного тока природа – тепловая. Электроны инжекционного тока движутся в сторону коллектора из-за явления теплопередачи! Высокое напряжение коллектора не может повернуть их назад, так, как контуры тока – входного и выходного - ( по правилу Киргофа для электрических цепей ) разорваны.
При изготовлении транзистора, переход База-Коллектор делается более чувствительным к энергии, а значит – более управляемым.
Если рассмотреть эмиссионное уравнение для вольт-амперной характеристики PN-перехода,
(19.33)
сразу заметна разница в значениях резистора RD для перехода БЭ и перехода БК. Для транзистора КТ312В: величина RD для перехода БЭ равна 1,06 Ом, величина RD для перехода БК равна 0,4 Ом.
Переход БК более низкоомный, чем переход БЭ, и при одинаковых прямых токах переход БК менее нагревается, чем переход БЭ.
Параметр TF эмиссионного уравнения – это температура холода – она показывает насколько холоднее зона P чем зона N при протекании тока. При этом, температура зоны N уравнивается с температурой окружающей среды.
Для перехода База-Коллектор параметр TF немного выше, чем для перехода База-Эмиттер. Например, для транзистора КТ312В для перехода База-Эмиттер TF = 608 Кельвин, для перехода База-Коллектор TF = 626 Кельвин.
Точно также объясняется работа схемы с общей базы транзистора PNP-типа. Для инжекционного тока важно наличие горячего и холодного PN-переходов. А направление его движения определяется разностью их температур.
Переход База-Коллектор является холодным только при малых токах. При более больших токах, переход База-Коллектор сам становится излучателем тепла, что создаёт как отрицательную обратную связь, так и положительную.
Принцип ООС для биполярного транзистора: без тока База-Эмиттер нет тока База-Коллектор.
Принцип ПОС для биполярного транзистора: Источник тепла База-Коллектор больше чем источник тепла База-Эмиттер.
В работе транзистора присутствуют обе обратные связи (и ООС и ПОС), что проявляется в существовании коэффициента усиления тока β, а также в существовании зон самовозбуждения на вольт-амперных характеристиках транзистора.
Не нужны такие фикции как «дырка» и «дырочная проводимость», когда явление электронного управления можно объяснить с помощью явления теплопередачи, посредством эстафетных и инжекционных токов, с позиций термоэлектроники.