4. Анализ процессов в биполярном транзисторе

 

Рассмотрим прежде всего, как работает транзистор (для примера типа n-р-n) в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питаю­щих напряжений E₁ и E₂ (рис. 4-1,а). Полярность их такова, что на эмит­терном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормаль­ного тока в этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е₂ обычно составляет единицы или десятки вольт.  Из схемы на рис. 4-1,а видно, что напряжение между электродами транзистора связаны простой зависимостью:

                  (4.1)

При   работе  транзистора   в  активном   режиме  обычно  всегда   и, следовательно, .

Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе. А вольтамперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база-эмиттер (), существенно влияет на ток 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  , т. е. входное напря­жение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с по­мощью транзистора основано именно на этом явлении.

 

Рис   4-1.  Движение электронов и дырок в транзисторах типа n-р-n и р-n-р.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения  понижается потенциальный барьер, в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход ток эмиттера . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «-» . Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, т. е. втягивает электроны область коллекторного перехода.

 Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбина­ции каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E₁ такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу  из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока . Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

                                                                                 (4.2)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно  составляет проценты тока эмиттера, т. е.  и, следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера. т. е. можно считать . Именно для того, чтобы ток  был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число элек­тронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе почти нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обеденные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный пере­мещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов  из р-области и дырок из n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, кото­рые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая реком­бинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллектор­ного  перехода.   Чем   больше  ток  эмиттера,  тем   больше   электронов   приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соот­ветственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектирован­ных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллектор­ного перехода, т. е. ток коллектора .

Данное одному из электродов транзистора название «эмиттер» подчеркивает, что происходит инжекция электронов из эмиттера в базу. Применение термина «инжекция» необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электрон­ной эмиссии, в результате которой получаются свободные электроны в вакууме или разреженном газе.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область тран­зистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Кол­лектором называют область, назначением которой является экстракция носи­телей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером  неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный пе­реход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо боль­ше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют сим­метричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового токов:

                                                                                  (4.3)

Важным свойством транзистора является приблизительно линейная зависи­мость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются приблизи­тельно пропорционально друг Другу. Пусть, для примера, =10мА,  = 9,5 мА, = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА. то остальные токи возрастут также на 20%:  = 0,5 + 0.1 = 0,6 мА и = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т.е. 12 мА=11,4 мА + 0,6 мА. А для приращения токов справедливо равен­ство (4.3), т. е. 2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п-р-п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р-п-р  но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений и направления токов (рис. 4-2,б). В транзисторе типа р-п-р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки. Они яв­ляются для базы неосновными носителями. С увели­чением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора. Работу   транзистора   можно   наглядно   представить с помощью потенциальной диаграммы, которая показана на рис. 4-2 для тран­зистора типа n-р-n.

 

Рис. 4-2.  Потенциальная диаграмма транзистора

 

Эту диаграмму удобно использовать для создания механи­ческой модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение , тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность по­тенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогич­ные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем уско­ренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах при­ходится учитывать еще ряд явлений.

Существенное влияние на работу транзисторов оказывает сопротивление базы , т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы . Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллек­тор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока , ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы  (его называют попе­речным) достигает сотен Ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение , между выводами базы и эмиттера, так как часть подво­димого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления  можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4-3. На этой схеме — сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение  у маломощных транзисторов достигает десятков Ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов   больше и   соответственно меньше. При­ближенно  определяется формулой (в Омах)

                                                     (4.4)

где ток , выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора  представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоОм. В него вхо­дит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис. 4-3 является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. Тем не менее эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

Рис. 4-3.  Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

 

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, являющееся главным образом результа­том ударной ионизации. Это явление и туннельный, эффект могут вызвать электрический пробой, который   при  возрастании  тока  может  перейти  в тепловой  про­бой перехода.

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.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накоп­ление неосновных носителей заряда в базе. т. е. увеличение концентрации и сум­марного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием носителей заряда в базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзи­стора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управ­ляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток_, который можно назвать управляемым коллекторным током  так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

                                                                                           (4.5)

где - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора: он может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе  к 1. Через коллекторный переход, всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток  (рис. 4-4), называемый начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

                                                                                        (4.6)

Во многих случаях , и можно считать, что . Если надо изме­рить  то это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при ток .

Преобразуем выражение (4.6) так, чтобы выразить за­висимость  тока от  тока  базы Заменим  ,  суммой :

     

Рис. 3-4. Токи в транзисторе

 

 

Решим уравнение   относительно  .Тогда получим

Обозначим

  и

и напишем окончательное выражение

                                                                                  (4.7)

Здесь   является  коэффициентом  передачи  тока  базы  и  составляет  десятки единиц. Например, если  = 0,95, то

а если коэффициент  = 0,99, т. е. увеличился на 0,04, то

т. е.  увеличивается в 5 с лишним раз!

Таким образом, незначительные изменения  приводят к большим изме­нениям . Коэффициент  так же, как и , относится к важным параметрам транзистора. Если известен  то можно всегда определить  по формуле

                            (4.8)

Ток  называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если , т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при получаем . Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора .Ток , и, зная, что ,    нетрудно найти . А так как , то

                                                                     (4.9)

Значительный ток  объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения  приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напря­жения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения , ток  резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что если , не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (если в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения , действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток , и равный ему ток , на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разры­вать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сна­чала включить  питание  цепи   базы,   а  потом   цепи  коллектора,   но   не   наоборот.

Если надо измерить ток , то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разрыве провода базы.