- •Физические основы электроники
- •200 800, 200 900, 201 000, 201 100, 201 200, 201 400
- •Содержание
- •Введение
- •1 Основы теории электропроводности полупроводников
- •1.1 Общие сведения о полупроводниках
- •1.1.1 Полупроводники с собственной электропроводностью
- •1.1.2 Полупроводники с электронной электропроводностью
- •1.1.3 Полупроводники с дырочной электропроводностью
- •1.2 Токи в полупроводниках
- •1.2.1 Дрейфовый ток
- •1.2.2 Диффузионный ток
- •1.3 Контактные явления
- •1.3.2 Прямое включение p-n перехода
- •1.3.3 Обратное включение р-п-перехода
- •1.3.4 Теоретическая вольтамперная характеристика p-n перехода
- •1.3.5 Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода
- •1.3.6 Емкости p-n перехода
- •1.4 Разновидности электрических переходов
- •1.4.1 Гетеропереходы
- •1.4.2 Контакт между полупроводниками одного типа электропроводности
- •1.4.3 Контакт металла с полупроводником
- •1.4.4 Омические контакты
- •1.4.5 Явления на поверхности полупроводника
- •2 Полупроводниковые диоды
- •2.1 Классификация
- •2.2 Выпрямительные диоды
- •2.2 Универсальные и импульсные диоды
- •2.3 Стабилитроны и стабисторы
- •2.4 Варикапы
- •3 Биполярные транзисторы
- •3.1 Общие сведения
- •3.2. Принцип действия биполярного транзистора
- •3.3. Токи в транзисторе
- •3.4. Статические характеристики биполярных транзисторов
- •3.5. Дифференциальные параметры биполярного транзистора
- •3.6 Модели бт
- •3.7. Эксплуатационные параметры транзисторов
- •3.8 Частотные свойства биполярных транзисторов
- •4 Полевые транзисторы
- •4.2 Полевой транзистор с изолированным затвором
- •4.3. Дифференциальные параметры полевого транзистора
- •4.4 Эквивалентная схема пт
- •4.5 Частотные свойства полевых транзисторов
- •3.10 Работа транзистора в усилительном режиме
- •3.11 Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды
- •3.12 Работа транзистора в режиме переключения
- •3.13 Переходные процессы при переключении транзистора
- •Литература
- •Физические основы электроники
3.3. Токи в транзисторе
Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы включения с общей базой (рисунок 2.33), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p-транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.
В активном режиме на эмиттерном переходе действует прямое напряжение UЭБ. Прямой ток перехода при этом равен:
, (3.1)
где IЭ р,IЭ n– инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), аIЭ РЕК- составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода IЭв тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющиеIЭ риIЭ n, определяющие прямой ток в случае идеализированногор-n-перехода. Если вкладIЭ РЕКнезначителен, то вместо (3.1) можно записать:
. (3.2)
В сумме токов выражения (3.2) полезной является только составляющая IЭр, так как она будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. «Вредные» составляющие тока эмиттераIЭ n иIЭ РЕК протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компонентыIЭ n,IЭ РЕК должны быть уменьшены.
Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера:
, (3.3)
который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током IЭ РЕК:
. (3.4)
Коэффициент инжекции Этем выше (ближе к единице), чем меньше отношениеIЭ n/IЭ р. Величина (IЭ n/IЭ р ) << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной областиp-n-p-транзистораNАЭна несколько порядков выше концентрации доноровNДБв базе (NАЭ>>NДБ). Это условие, как правило, выполняется в транзисторах.
Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок - неосновных носителей базы. Этот градиент обуславливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок IБ РЕК, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок будет равен:
. (3.5)
Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:
. (3.6)
Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение Бтем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами - основными носителями базовой области. Ток
IБ РЕКодновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то токIБ РЕКследует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющейIЭ n.
Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноровNДБ. Это совпадает с требованиемNАЭ>>NДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базыWБи диффузионной длины дырок в базовой областиLpБ. Доказано, что имеется приближенное соотношение:
. (3.7)
Например, при WБ/Lp Б= 0,1 Б= 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.
Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.6):
(3.8)
С учетом (3.4) и (3.6) получим
, (3.9)
где
. (3.10)
Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называют статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.
Ток коллектора имеет еще составляющую IКБО, которая протекает в цепи коллектор – база приIЭ= 0 (холостой ход, «обрыв» цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычномp-n-переходе (диоде).
Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.9) :
. (3.11)
Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:
, (3.12)
числитель которого (IК–IКБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора,IК р. Обычно рабочие токи коллектораIКзначительно большеIКБ0, поэтому
. (3.13)
С помощью рис. 3.4 можно представить ток базы в виде:
. (3.14)
По первому закону Кирхгофа для общей точки:
. (3.15)
Как следует из предыдущего рассмотрения, IКиIБпринципиально меньше токаIЭ; при этом наименьшим является ток базы:
. (3.16)
Используя (3.11) и (3.16), получаем связь тока базы с током эмиттера:
. (3.17)
Если в цепи эмиттера нет тока (IЭ = 0, холостой ход), то IБ = - IКБ0, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значенииI*Э = IКБ0 /(1-) токIБ = 0, а при дальнейшем увеличении тока эмиттераIЭ (IЭ>I*Э)ток базы оказывается положительным.
Подобно (3.11) можно установить связь IКсIБ. Используя (3.11) и (3.17), получаем:
, (3.18)
где
; (3.19)
- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение обычно близко к единице, томожет быть значительно больше единицы (>>1). Например, при= 0,99= 99. Из (3.19) можно получить соотношение:
. (3.20)
Очевидно, что коэффициент есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (IК - IКБ0) к управляемой части базового тока
(IБ+IКБ0).
Все составляющие последнего выражения зависят от IЭи обращаются в нуль приIЭ= 0. Введя обозначение:
, (3.21)
можно вместо (3.19) записать:
. (3.22)
Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭ0: это значение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ= 0) или при «обрыве» базы. ПриIБ= 0
IК=IЭ, поэтому токIКЭ0проходит через все области транзистора и является «сквозным» током, что и отражается индексами «К» и «Э» (индекс «0» указывает на условиеIБ= 0).