Работа биполярного транзистора в активном режиме

На рис. Т5а изображена энергетическая диаграмма кристалла в состоянии равновесия, когда на выводах транзистора отсутствуют внешние напряжения. Символом W_Б обозначена технологическая ширина базы между металлургическими границами контактов областей кристалла разных типов проводимости, а символом - реальная, физическая ширина – между эмиттерным и коллекторным переходами. Основные электроны области эмиттера (обозначены на рисунке как ) «заперты» в эмиттере потенциальным барьером эмиттерного перехода высотой (где – контактная разность потенциалов эмиттерного перехода, е – элементарный заряд) и не могут диффундировать в область базы, где их концентрация много меньше. То же самое можно сказать и об основных электронах коллектора (на рисунке не показаны).Символами и обозначена ширина эмиттерного и коллекторного переходов соответственно. В области базы потенциальный барьер несколько понижается на величину Это объясняется тем, что процесс легирования базы организован

Рис. Т5.Энергетические диаграммы кристалла биполярного транзистора

так, что концентрация примеси в области базы максимальна у эмиттерного перехода и уменьшается по направлению к коллекторному переходу.

Данная ситуация отображена на рис. Т5в, где значками «» обозначены ионы акцепторов, концентрация которых уменьшается по направлению к коллектору. Поскольку область базы, прилежащая к эмиттерному переходу, более отрицательна, чем область вблизи коллекторного перехода, то в толще базы возникает внутренняя разность потенциалов ∆U (но в целом база остаётся электронейтральной) с полярностью, указанной на рисунке - «». Как следствие, появляется внутреннее поле с напряжённостью Ɛ, которое ускоряет неравновесные электроны, что повышает быстродействие транзисторов. Транзисторы, изготовленные по данной технологии, называют дрейфовыми, в отличие от более «медленных» бездрейфовых транзисторов, у которых примеси в области базы распределены равномерно.

На рис.Т5б приведены диаграммы транзистора (схема включения ОБ), которые имеют место при подаче напряжений на его выводы. Полярность напряжений такова, что эмиттерный переход смещён прямо, а коллекторный - обратно, что соответствует линейному режиму работы.

В этом случае происходит уменьшение потенциального барьера эмиттерного перехода до величины , вследствие чего те электроны, чья энергия превышает высоту барьера, преодолевают его и попадают в область базы, где они меняют свой статус, становясь неосновными носителями. Поскольку в этом случае имеет место преодоление тормозящего действия поля эмиттерного перехода, то данный процесс называют инжекцией (впрыскиванием) неосновных носителей. Конструкция кристалла такова, что площадь коллекторного перехода, как отмечалось, больше площади эмиттерного перехода (рис. Т2а), поэтому неосновые носители, преимущественно движутся в сторону коллекторного перехода. Благодаря внутреннему полю базы к диффузионной составляющей их скорости добавляется дрейфовая составляющая, что ускоряет процесс их движения к коллекторному переходу и, как следствие, увеличивает быстродействие транзистора.

Попав в область действия сил поля коллекторного перехода, неосновные носители – как и любые неосновные носители – захватываются им и перебрасываются в область коллектора. Данный процесс носит название экстракции неосновных носителей. Результатом экстракции является появление коллекторного тока I _К.

В процессе своего движения в базе часть неравновесных неосновных носителей рекомбинирует с дырками базы, в результате чего база теряет свою электронейтральность (точка встречи неосновного электрона и дырки с последующей их рекомбинацией на рис.Т2а обозначена как ) Убыль дырок компенсируется за счёт источника напряжения U_ЭБ, в результате чего появляется ток базы I _Б. Таким образом, ток коллектора образован инжектированными эмиттерным переходом носителями за вычетом носителей, рекомбинировавших в базе, следовательно, между токами БТ существует следующая связь:

(Т1)

Но, поскольку концентрация примеси в базе, а следовательно, и концентрация дырок незначительны, то ток базы много меньше тока эмиттера и коллектора, что позволяет во многих случаях, не совершая большой ошибки, полагать, что .

Отношение выходного тока к входному называют коэффициентом передачи тока (эмиттера) и обозначают как . Таким образом:

, следовательно . (Т2)

У биполярных транзисторов обычно составляет величину 0,94 – 0,995, т.е. Коль скоро постоянная составляющая коллекторного тока меньше таковой тока эмиттера, то и приращения коллекторного тока, вызванные действием входного сигнала, будут меньше приращений тока эмиттера. Отсюда следует, что БТ в схеме «общая база» не усиливает ток. Однако, усиление по мощности возможно, если имеет место усиление (увеличение) напряжения входного сигнала.

Если мысленно включить нагрузку в коллекторную цепь транзистора последовательно с источником U_кб (рис. Т5б), то это не приведёт к заметному изменению тока коллектора, поскольку его величина примерно равна току эмиттера, а последний останется неизменным, ибо неизменным остаётся уровень инжекции из эмиттера в базу (поскольку режим работы входной цепи не изменился). Но, так как сопротивление прямосмещённого эмиттерного перехода мало и, на практике, меньше сопротивления нагрузки, то напряжение на нагрузке, являющееся выходным, будет больше входного напряжения, т.е.:

, т.к. . (Т3)

Следовательно, усиление мощности в схеме ОБ имеет место за счёт усиления напряжения.

В схеме ОЭ входным током является ток базы (рис.Т4а), а выходным по-прежнему ток коллектора. Следовательно, коэффициент передачи постоянного тока (обозначается как В) составит:

= (Т4)

Поскольку , то В , т.е. транзистор в схеме ОЭ усиливает ток, в то же время, используя вышеприведенные аргументы, можно прийти к выводу, что в схеме ОЭ также имеет место усиление по напряжению.

В схеме ОК выходным током является ток эмиттера, а входным - ток базы. Следовательно, коэффициент передачи тока (для него не существует специального символа) составит: . Отсюда следует, что

в данной схеме включения имеет место усиление тока, но – как будет показано далее - усиление напряжения не достигается.

Следовательно, наибольшее усиление мощности обеспечивает схема включения «общий эмиттер».