4.2. Moдyляция ширины бaзы

Ширина р-n-пepexoда зaвиcит от пpилoжeннorо к нему напряжения. К эмиттepнoму пepexoду пpилoжeно мaлoе пpямoе нaпряжeниe, ширина пepexoда мaла и изменения также малы. Главное влияние оказывает за­пертый коллекторный переход. С ростом напряжения на коллекторе кол­лекторный переход (область, обедненная носителем заряда) расширя­ется, а ширина базы соответственно уменьшается. Это явление называ­ется модуляцией ширины базы (эффект Эрли). Без его учета невозможно объяснить поведение статических характеристик транзистора. Поэтому подробнее рассмотрим то влияние, которое оказывает модуляция ширины базы на токи через транзистор. Это влияние сводится к двум факторам.

Во-первых, при меньшей ширине базы уменьшается вероятность ре­комбинации в базе носителей заряда, инжектированных эмиттером. Ре­комбинационная составляющая тока базы уменьшается, доля проходящих носителей через базу от эмиттера к коллектору увеличивается. Таким об­разом, повышение напряжения на коллекторе приводит к увеличению ко­эффициента переноса и, следовательно, увеличению коэффициента передачи тока. Базовый ток соответственно уменьшается (рис. 4.5).

Во-вторых, с уменьшением ширины базы перепад концентраций дырок в базе происходит на меньшей длине. В эмиттерной области базы концен­трация дырок велика, так как они там являются основными носителями. В базовой области она убывает по направлению к коллектору (рис. 4.5).

Уколлекторного перехода концентрацию дырок можно считать равной нулю, так как все дырки, прошедшие к коллекторному переходу из об­ласти базы, перебрасываются электрическим полем перехода в коллек­торную область. Поскольку ток эмиттера является диффузионным током, то его плотность определяется соотношением

.

При уменьшении ширины базы градиент концентраций возрастает, что приводит к увеличению тока эмиттера, как это следует из приведен­ного соотношения. Таким образом, при постоянном напряжении на эмит­тером переходе повышение запирающего напряжения на коллекторном переходе приводит к увеличению тока эмиттера.

4.3. Статические характеристики

Существует три основных схемы включения транзистора как четырех­полюсника: схема с общей базой ( ОБ ), общим эмиттером ( ОЭ ) и общим коллектором ( ОК ) (рис. 4.6).

ОБ

ОЭ

ОК

Рис. 4.6

При любой схеме включения принцип работы транзистора остается неизменным и все физические процессы, описанные при рассмотрении транзистора в схеме с ОБ, остаются в силе и для двух других схем. Вклю­чение транзистора одним из трёх способ приводит лишь к смене входных и выходных величин, что отражает на его статических характеристиках. Связь между токами и напряжениями в транзисторе принято представлять семейством характеристик.

Входные характеристики .

Выходные характеристики .

В зависимости от схемы включения входные и выходные токи и на­пряжения имеют тот или иной смысл. В схеме с общей базой входные ха­рактеристики имеют вид, показанный на рис. 4.7. Кривая при предоставляет ВАХ диода, смещенного в прямом направле­нии. При входная характеристика смещается в сторону меньших значений . Объясняется это тем, что при ширина базы уменьша­ется, градиент концентраций неосновных носителей в базе уве­личивается, а при неизменном напряжении ток эмиттера несколько воз­растает. Выходные характеристики при представляют собой ряд прямых линий, идущих почти горизонтально (рис. 4.8). Незначитель­ный наклон характеристик объясняются возрастанием коэффициента пе­редачи тока , вследствие уменьшения ширины базы и снижения вероятно­сти рекомендации носителей в базе при увеличении отрицатель­ного (для структуры p-n-p) напряжения U_кб.

Для определения токов необходимо воспользоваться уравнениями (4.5) и (4.6) .

В области больших отрицательных напряжений в коллекторном пе­реходе может развиваться лавинный пробой, переходящий затем в теп­ловой.

В области положительных напряжений ток резко уменьшается, так как коллекторный переход открывается и поток дырок из базы компен­сируется встречным диффузионным потоком дырок из коллектора в базу.

Входные и выходные характеристики в схеме с ОЭ показаны на рис. 4.9 и 4.10 соответственно. Входные характеристики внешне схожи с такими же в схеме с ОБ. Однако I_б << I_к и его приращение на единицу напряжения значительно меньше. Кроме того, при ток , а ток . Поэтому характеристики сдвинутые на эту величину. Иное влияние оказы­вает на кривые и напряжение . С увеличением отрицательного напря­жения при ток уменьшается, так как меньшая ши­рина базы при этом снижает вероятность рекомбинации в базе неос­новных носителей.

Рис. 4.9 Рис. 4.10

Выходные характеристики в схеме с ОЭ отличаются от соответствую­щих характеристик в схеме с ОБ тремя моментами. Во-первых, область режима насыщения находится при той же полярности напряжения на кол­лекторе, что и область активного режима. Это отличие от схемы с ОБ объ­ясняется тем, что в схеме с ОЭ все потенциалы отсчитываются от эмит­тера. Потенциал его ниже потенциала базы на. При пере­ходе от схемы с ОБ к схеме с ОЭ это приводит к сдвигу оси ординат на семействе выходных характеристик влево на величину . Во-вторых, в схеме с ОЭ неуправляемый ток через коллекторный переход значи­тельно больше тока . В-третьих, наклон выходных характеристик к оси абсцисс также значительно больший. Эти два отличия формально следует из соотношений (4.5), (4.6). Действительно, подставляя в (4.5) соотноше­ния для из (4.6) выражая ток через ток базы, имеем

_{. (4.7)}

_{Здесь – коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ. Это важнейший параметр транзистора. Типичные значения лежат в пре­делах 30–150.}

Из выражения (4.7) видно, что неуправляемый ток в схеме с ОЭ враз больше, чем в схеме с ОБ. Во столько же раз больше и на­клон выходных характеристик.

Объясняется это различным проявлением эффекта модуляции ширины базы. В схеме с общим эмиттером увеличение U_кэ , а следовательно, и U_кб сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регулировкой напряжения U_бэ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора, т. е увеличение выходной проводимо­сти (в схеме с ОБ ток I_э при снятии выходной характеристики поддержива­ется неизменным).

Неравные расстояния между соседними кривыми при равных прираще­ниях тока объясняются увеличением вероятности рекомбинации неос­новных носителей в базе с ростом уровня инжекции из эмиттера.

При больших отрицательных напряжениях в коллекторном пере­ходе развивается пробой, причем допустимое напряжение в 2–3 раза меньше допустимой величины .