20.3. Принцип работы транзистора. Схема с общим эмиттером.
Так, как тепловой ток (ему соответствует параметр – мощность, или по другому – входной энергетический сигнал) управляет закрытым переходом, то в схеме с общим эмиттером между переходами возникает многократное отражение этого сигнала. Оба перехода играют роль зеркал, а кратность отражения соответствует коэффициенту β. Как известно, β изменяется в зависимости от протекающего тока (эффект Кирка).
Рассмотрим работу схемы с общим эмиттером, применяя метод остановки времени – с помощью временных моментов.
Рис. 20.5. Момент времени 1.
Момент 1. Включение цепи. Токи ещё не начались. Здесь на рисунке 20.5., 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. 20.6. Момент времени 2.
Момент 2. Через переход протекает ток входного сигнала. Возникает выход из перехода База-Эмиттер тепловой энергии. Возникает явление теплопередачи посредством эстафетного тока электронов. На рисунке 20.6. эстафетный ток обозначен двунаправленными стрелками. В переходе База-Эмиттер возникает ЭДС, согласно вольт-амперной характеристики. Стрелками в переходе База-Эмиттер обозначен прямой ток.
Здесь следует сказать о величине тока базы Ib и процессе многократных отражений: первоначально величина Ib имеет максимальную величину, но с каждым последующим отражением величина этого тока будет уменьшаться… Если на вход входной сигнал подаётся через стабилизатор тока, то с каждым последующим процессом отражения возникает явление смещения входной характеристики в сторону более больших напряжений, что как раз и вызывает уменьшение величины Ib.
Рис. 20.7. Момент времени 3.
Момент 3. Эстафетный ток достиг потенциальной ямы PN-перехода База-Коллектор. Электрон эстафетного тока, достигший перехода База-Коллектор, отрывается электрическим барьером этого перехода и идёт на создание ЭДС этого перехода.
Эстафетный ток, у которого отрывают каждый приходящий к переходу База-Коллектор электрон, преобразуется в обычный однонаправленный электрический ток. Таким образом, эстафетный ток преобразуется в инжекционный. Но природа этого тока осталась прежней – это явление теплопередачи. Запертый переход База-Коллектор является холодным (холодильный эффект Пельтье ), а переход База-Эмиттер является горячим (тепловой эффект Пельтье).
Скрытый электрический барьер перехода База-Коллектор начинает заряжаться. Возникает ЭДС. Соответственно этой ЭДС, согласно вольт-амперной характеристике перехода База-Коллектор, через переход База-Коллектор протекает прямой ток – обозначен стрелками.
Рис. 20.8. Момент времени 4.
Момент 4. Первое зеркальное отражение. Закрытый переход База-Эмиттер получает энергию от перехода База-Эмиттер посредством инжекционного тока. Холодильный эффект Пельтье срабатывает и начинает течь ток коллектора Ik. Его можно назвать 1-м зеркальным отражением, потому что, ему предстоит пересечь переход База-Эмиттер в прямом направлении, что вызовет увеличение инжекционного тока – на рисунке 20.8. это показано как сумма инжекционных токов E1+E2. Следующим шагом будет прибавление к току коллектора ещё одной его порции – второе зеркальное отражение.
Итак, коллекторный ток становиться источником выброса добавочной энергии, выражающейся в инжекционном токе E2. Этот выброс должен далее создать второе зеркальное отражение, то есть прибавку (удвоение) тока коллектора. После будет утроение коллекторного тока, после ток возрастёт в 4 раза…
Такой процесс отражений происходит β раз. Казалось бы умножению не будет конца, но существует процесс, ограничивающий β. Это как раз процесс выделения тепла в переходе База-Эмиттер. Процесс выделения тепла определяется резистором RD, который вносит отрицательную обратную связь для тока База-Эмиттер. Этот процесс сопровождается смещением входной характеристики, и тем самым уменьшением порции входного тока Ib.
Следует учесть, что эмиттерный переход и коллекторный переход – это два излучателя тепловой энергии. Эмиттерный переход является управляющим. Без его излучения тепловой энергии никогда не потечёт ток в коллекторном переходе и он не станет излучать.
Поток тепловой энергии от эмиттерного перехода коллекторному создаёт отрицательную обратную связь.
Ответный поток тепловой энергии от коллекторного перехода к эмиттерному создаёт положительную обратную связь.
Процессы положительной обратной связи (ПОС) и отрицательной обратной связи (ООС) уравновешиваются при β равном 100 – 300 раз.
Кольцо ООС ограничивает количество отражений до β раз.
Если процесс многократных отражений превысит процесс ограничения, то на выходной вольт-амперной характеристики транзистора образуется S-образный участок, что соответствует существованию ПОС. Такой режим возникает у германиевых транзисторов при малых токах базы (1- 10 мкА), при больших (порядка 10 Вольт) коллекторных напряжениях. Такие же процессы, приводящие к образованию S-образной характеристики, происходят при работе динисторов и тиристоров.