Принцип работы транзистора

В зависимости от сочетания полярности и величины напряжений, прикладываемых к р-n-переходам транзистора, возможны четыре режима работы БТ (по постоянному току):

· активный режим - на эмиттерный переход подано прямое смещение, а на коллекторный переход обратное;

· режим отсечки - на оба перехода подано обратное смещение (БТ закрыт);

· режим насыщения - на оба перехода подано прямое смещение (БТ открыт);

· инверсный активный режим - на эмиттерный переход подано обратное смещение, а на коллекторный - прямое.

Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в качестве переключательного элемента в импульсивных устройствах. Активный режим используется в устройствах непрерывного действия - усилителя, генераторы, вторичные источники питания. Инверсный режим находит применение в схемах двунаправленных переключателей, но для этого пригодны только симметричные транзисторы с одинаковыми параметрами эмиттерной и коллекторной областей, а также идентичными р-n-переходами.

В активном режиме в результате снижения потенциального барьера эмиттерного перехода напряжением U_эб основные носители эмиттера диффундируют в область базы (инжекция), а основные носители базы в эмиттер. Поскольку степень легирования базы намного меньше легирования эмиттера, то поток носителей заряда из эмиттера преобладает над встречным потоком из базы, и им зачастую пренебрегают. Количественную оценку составляющих полного тока эмиттерного р-n-перехода дает коэффициент инжекции

,

где и - эмиттерная и базовая составляющие тока через переход; - полный ток р-n-перехода.

Основные носители эмиттера, перейдя в базу, становятся неосновными носителями базы и при движении к коллекторному переходу частично рекомбинируют основными носителями базы (в реальных БТ рекомбинирует от 0.001 до 0.1 количества носителей заряда, покинувших эмиттер). Процесс рекомбинации обуславливает ток базы. Если бы база была достаточно протяженной (W>3L, где L - диффузная длина, на которой концентрация неосновных носителей заряда уменьшается в е-раз из-за рекомбинации при удалении от эмиттерного перехода; W - ширина базы), то все инжектированные носители рекомбинировали бы в ней. В этом случае через коллекторный переход протекал бы только обратный ток обратно смещенного р-n- перехода. В реальных БТ ширина базы во много раз меньше диффузионной длины (W<<0,22L). Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе много больше времени, требуемого на прохождение ими базы. Большинство носителей заряда, инжектированных в базу из эмиттера, не успев рекомбинировать, попадает в ускоряющее электрическое поле закрытого коллекторного р-n-перехода и втягиваются в коллектор (экстракция). Из-за наличия процессов рекомбинации ток эмиттерного перехода всегда несколько больше тока коллекторного перехода Относительное число неосновных носителей заряда, достигших коллекторного перехода БТ, характеризуется коэффициентом переноса.

,

где , - концентрации неосновных носителей, соответственно на входе в базу (у эмиттерного перехода) и на выходе базы (у коллекторного перехода); и - токи соответствующих переходов, созданные неосновными носителями базы. Поэтому ток коллектора, обусловленный процессами инжекции неосновных носителей заряда через эмиттер и экстракции их через коллекторный переход, равен:

,

где - коэффициент передачи эмиттерного тока.

Помимо этого тока через коллекторный переход в обратном направлении течет неуправляемый обратный ток I_кбо, причины возникновения которого те же, что и в единичном р-n-переходе. Поэтому результирующий ток коллектора равен:

Изменение напряжения на эмиттерном переходе вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда, что сопровождается соответствующим изменением токов эмиттера и коллектора. Поэтому, для изменения по какому-либо закону необходимо к эмиттерному переходу приложить U_эб, изменяющее по этому же закону .

Аналитическая модель БТ

При определении аналитических соотношений между токами и напряжениями идеализированный БТ представляют эквивалентной схемой Эберса-Молла, рис.2. Одномерная модель транзистора состоит из двух встречно включенных идеальных р-n-переходов. Объемные сопротивления слоев, емкости р-n-переходов и эффект модуляции ширины базы не учитываются.

Рис. 2.

Взаимодействие р-n-переходов отражено генераторами токов. Модель Эберса-Молла описывает все четыре режима БТ - активный, отсечки, насыщения, инверсный.

Токи эмиттера и коллектора выражаются соотношениями:

(1)

, (2)

где - эмиттерного и коллекторного переходов при замкнутых накоротко выводах база коллектор (U_кб = 0) и база эмиттер (U_эб = 0), соответственно; - коэффициент передачи тока эмиттера в инверсном режиме БТ; U_эб, U_кб - напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах: - температурный потенциал.

Тепловые токи и выражаются через обратные токи соответствующих переходов и , измеряемые в режиме холостого хода (обрыва) соседнего р-n-перехода.

, (4)

После подстановки (3) и (4) в (1) и (2) выражения, описывающие статические ВАХ идеализированного БТ, принимают вид:

На основании закона Кирхгофа величина тока базы равна:

Решая (5), (6) относительно U_эб, получим идеализированные входные (эмиттерные) ВАХ транзистора U_эб = f(), при U_кб =const:

Решив (5), (6) относительно , получим выходные ВАХ транзистора =f() при = const:

В активном режиме ( и | |>> ) выражение (9) упрощается

, (10)

Величина называемая статическим (интегральным) коэффициентом передачи тока эмиттера, составляет 0,9…0,999.

Поскольку >> , то обычно считают , что позволяет упростить выражение(8):

Согласно (10) и (11) в идеализированном БТ ток и напряжение не зависят от напряжения на коллекторном порядке. В действительности же под действием ширина базы W из-за изменения размеров обратносмещенного коллекторного перехода меняется (эффект модуляции ширины базы). Так, при увеличении | | ширина базы уменьшается, снижается вероятность рекомбинации неосновных носителей в базе, увеличивается градиент их концентрации, что приводит к росту тока эмиттера и коэффициента. Эффект модуляции ширины базы наиболее сильно проявляется в активном режиме, что приводит к появлению в (10) дополнительного слагаемого

где при = const - дифференциальное сопротивление коллек­торного р-n-перехода. Влияние на ток оценивается коэффициентом внутренней обратной связи по напряжению

при = const

Коэффициент достаточно мал (10^-4…10^-5), в практических расчетах им зачастую пренебрегают.

В режиме отсечки ( и | |>(3…5) , и | |>(3…5) ) соотношения (5) и (6) принимают вид

которые с учетом упрощаются:

где - статические коэффициенты передачи тока базы в активном и инверсном режимах.

Согласно (15), (l6) is режиме отсечки ток коллектора минимален и равен обратному току одиночного р-n-перехода, эмиттера имеет обратный знак и значительно меньше тока коллектора т.к. << . При этом ток базы приблизительно равен току коллектора

В режиме насыщения (, ) падение напряжения U_кэ мало (доли вольта) и ток коллектора транзистора ограничен только сопротивлением внешней нагрузки. При этом напряжение U_кэ не зависит от величины тока эмиттера и равно

В режиме насыщения соотношение (12) утрачивает свою справедливость и выполняется условие < . Величина , при котором начинается режим насыщения, зависит от тока . который определяется сопротивлением внешней нагрузки.

В инверсном режиме (, ) ток эмиттера

очень мал, поскольку в обычных транзисторах, содержащих неодинаковые р-n-переходы, выполняется условие .

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: