Вопрос 20

Биполярные транзистор – это трех-электродный полупроводниковый прибор с двумя и более взаимодействующими электронно-дырочными переходами. В транзисторе чередуется по типу электропроводности три области полупроводника: коллектор, база, эмиттер.

Рис 41 планарная n-p-n структура БТ. 1 – коллекторный переход; 2 – эмиттерный переход.

На границе эмиттерной области с базовой, а также на границе базовой области с коллекторной образуются два электронно-дырочных перехода (эмиттерный и коллекторный). Переходы оказываются взаимодействующими, если расстояние между ними, называемое шириной базы, гораздо меньше дифф-ной длины подвижных носителей заряда.

Дифф-ная длина Lpn – это расстояние, которое проходит электрон и дырка от момента появления в проводнике до момента рекомбинации.

Площадь коллекторного перехода всегда больше площади эмиттерного перехода. Область эмиттера должна обладать более высокой электропроводностью, чем база и коллектор.

В зависимости от порядка чередования областей по типу проводимости различают структуры p-n-p и n-p-n

рис 42 плоская одномерная модель и условные обозначения БТ

как элемент электрической цепи транзистор используют таким образом, что один из его электродов является входным, другой выходным; третий электрод является общим относительно входа и выхода. В зависимости от того какой электрод является общим, различают 3 схемы включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).

рис 43 схемы включения БТ

Вопрос 21

При работе транзистора к его электродам прикладывается напряжение от внешних источников питания. В зависимости от полярности напряжений, прикладываемых к электродам, каждый из p-n переходов транзистора может быть включен в прямом или обратном направлении, то есть возможны 4 режима работы транзистора

Название перехода	Включение транзистора	Название режима работа транзистора
ЭП КП	Обратное обратное	Режим отсечки
ЭП КП	Прямое Прямое	Режим насыщения
ЭП КП	Прямое обратное	Активный режим
ЭП КП	Обратное прямое	Инверсный режим

Режим отсечки. в режиме отсечки оба перехода включены в обратном переходе (высокоомное состояние эмиттер-коллектор). В электродах транзистора протекают тепловые токи обратно включенных переходов, которые и являются статическими параметрами режима отсечки. в каждой из трех схем включения транзистора эти параметры имеют определенные величины. Их обозначения имеют вид:

1. для схемы с ОБ:

2. для схемы с ОЭ:

3. для схемы с ОК:

первый индекс в обозначении указывает электрод, в котором протекает ток; второй индекс – схему включения; третий индекс – условие в оставшейся части схемы («о» - отсутствие тока в др. электроде, то есть холостой ход; «к» - короткое замыкание в оставшейся части схемы).

Режим насыщения. В режиме насыщения оба p-n перехода включаются в прямом направлении. Переходы насыщены подвижными носителями заряда, их сопротивления малы. Участок эмиттер-коллектор имеет высокую проводимость и может считаться короткозамкнутым. Статическими параметрами являются токи насыщения в токах транзистора и остаточные напряжения.

Отношение напряжений и токов соответствующих электродов дают величины сопротивлений насыщения

;

Активный режим. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный – в обратном. Такое включение соответствует активному режиму, а транзистор обладает усилительными свойствами.

Принцип действия транзистора в активном режиме основан на использовании следующих явлений: 1) инжекции основных носителей через эмиттерный переход; 2) перенос инжектированных носителей через базу вследствие диффузии и дрейфа; 3) рекомбинация неравновесных носителей в базе; 4) экстракция неосновных носителей базы в коллектор полем коллекторного перехода.

Инжекция носителей обуславливает прохождение через эмиттерный переход дифф-ных токов: дырочного Iэp и электронного Iэn. Во внешней цепи протекает ток инжекции

Для транзисторной структуры p-n-p типа соотношение между примесями в эмиттере и базе определяется:

Потому как

Инжекция носителей из эмиттера в базу превышает концентрацию неосновных носителей в базе. Их концентрация на границе эмиттерного перехода для p-n-p структуры определяется соотношением:

Диффузия дырок в базе сопровождается их рекомбинацией электронами. На место рекомбинированных электронов в базу из внешней цепи источника поступают другие электроны, создавая в дополнение к электронному току инжекции Iэн ток базы рекомбинации Iбрек, так как ширина базы значительно меньше дифф-ной длины носителей. Дырки, инжектированные эмиттером в базу и достигшие обратно включенного коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и перебрасываются в базу коллектора. Создается управляемая часть тока коллектора:

Процесс переноса неосновных неравновесных носителей через базу оценивается коэффициентом переноса:

Коэффициент называетсяинтегральным (статическим) коэффициентом передачи тока эмиттера в цепь коллектора и с учетом соотношений (24) и (26) определяется формулой:

Кроме управляемой части коллекторного тока в электроде коллектора протекает неуправляемая часть тока – тепловой ток обратно включенного перехода. Он аналогичен току обратно включенного полупроводникового диода и поэтому получил название обратного тока коллектора Iкбо

Направление обратного тока коллектора совпадает с направлением управляемой части коллекторного тока и поэтому

Ток Iкбо в цепи базы направлен навстречу базовому току рекомбинации Iбрек и базовому току инжекции Iпинж

В цепи эмиттера ток инжекции является суммой тока коллектора Iк и тока базы Iб:

Выражения (29) и (31) устанавливают связь между токами транзистора и справедливы для любой схемы включения. Аналогичные процессы происходят в n-p-n транзисторах.

Обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу значительно больше напряжения прямо включенного эмиттерного перехода, а токи в цепях эмиттера и коллектора практически равны. Поэтому мощность в нагрузке, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока, оказывается значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера. Следовательно, транзистор обладает исключительными свойствами.

Инверсный режим

В инверсном режиме эмиттерный переход обратно включен, а коллекторный находится под прямым напряжением. Поэтому по сравнению с активным, в инверсном режиме инжекция носителей осуществляется коллекторным переходом, а экстракция – эмиттером. Практически эмиттер и коллектор меняются функциями и местами в схеме.

Для схемы с ОБ:

Поскольку площадь эмиттерного перехода много меньше площади коллекторного перехода и концентрация Nб<Nб, то

для схемы с ОК:

для схемы с ОЭ:

дифференциальный коэффициент передачи тока

для переменных сигналов, амплитуда которых много меньше величины питающих напряжений, связь между током коллектора и эмиттера определяется дифф-ем соотношения (29) как функции двух аргументов в предположении, что , то есть

- дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ