3.2 Принцип действия биполярного транзистора. Принцип действия биполярного транзистора3.2 Принцип действия биполярного транзистораПрименение транзистора для усиления электрических колебаний основано на его принципе дейст-вия как управляемого электронного прибора. В схеме включения транзистора (рис. 14) к эмиттерному переходу должно быть приложено прямое напряжение, а к коллекторному – обратное. Если на эмиттерном переходе нет напряжения, то через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток Iкобр. По сравнению с рабочим током им можно пренебречь для упрощения рассуждений и считать, что в коллек-
электрическим полем коллекторного перехода в область коллектора. Происходит экстракция электро-нов под действием обратного напряжения из базы в коллектор. Движение электронов в процессе экс-тракции из базы в коллектор создает ток коллектораIк. Незначительная часть инжектируемых из эмиттера в базу электронов рекомбинирует в области базы с дырками, количество которых пополня-ется из внешней цепи от источника Еэ. За счет этого в цепи базы протекает ток базы Iб. Он очень мал из-за небольшой толщины базы и малой концентрации основных носителей заряда – дырок. При этих условиях число рекомбинаций, определяющих величину тока базы, невелико. Ток коллектора управляется током эмиттера: если увеличится ток эмиттера, то практически про-порционально возрастет ток коллектора. Ток эмиттера может изменяться в больших пределах при ма-
Iэ = Iк + Iб. Ток базы значительно меньше тока коллектора, поэтому для практических расчетов часто считают ток коллектора приближенно равным току эмиттера: Iк ≈ Iэ. Принцип действия p-n-p-транзистора аналогичен рассмотренному, но носителями заряда, создаю-щими токи через p-n-переходы в процессе инжекции и экстракции, являются дырки; полярность источ-ников Еэ и Ек должна быть изменена на противоположную, соответственно изменятся и направления токов в цепях. На основании рассмотренных процессов можно сделать вывод, что транзистор как управляемый прибор действует за счет создания транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера через базу в коллектор и управления током коллектора путем изменения тока эмиттера. Таким обра- зом, биполярный транзистор управляется током. Ток эмиттера как прямой ток p-n-перехода значительно изменяется при очень малых изменениях напряжения на эмиттерном переходе и вызывает, соответственно, большие изменения тока коллектора.
Рис. 15 Обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний трические колебания , подаваемые во входную цепь, называют управляющим, или усиливаемым, сигна-лом. Выходная цепь является главной цепью, в нее последовательно с источником Е2 включается на-грузка RH, на которой надо получить усиленный сигнал. Таким образом, обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний представляет собой четырехполюсник. Транзистор имеет три электрода, из которых в схеме включения один – входной, другой – выход-ной, а третий – общий для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой электрод является об-щим, возможны три схемы включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и об-щим коллектором (ОК). В схеме, на которой рассматривался принцип действия транзистора (рис . 14), входной элек-трод – эмиттер, выходной – коллектор, а общий, входящий и в цепь входа, и в цепь выхода, – база; следовательно, это была схема ОБ. При любой схеме включения в каждой цепи постоянный ток проходит от плюса источника питания через соответствующие области транзистора к минусу источника питания. Стрелка эмиттера указывает направление проходящего через него тока. Во всех трех схемах сохраняется рассмотренный принцип действия транзистора, но свойства схем различны; они также отличаются характеристиками и параметрами. В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует напряжение между двумя электродами и протекает ток: во входной цепи – Uвх
Характеристики транзистора представляют собой зависимость одной из этих величин от другой при неизменной третьей величине. Для того чтобы одну из электрических величин можно было поддержи-вать постоянной, в схему для снятия характеристик надо включить только источники питания; нагрузку
ния база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер: Iб = f (Uбэ) при Uкэ = const. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависи-мость тока коллектора от напряжения коллектор – эмиттер при постоянном токе базы: Iк = f (Uкэ) при Iб = const. Примерный вид семейства входных и выходных характеристик биполярного транзистора приведен на рис. 17 и 23. На рис. 17 изображено семейство из двух входных характеристик, снятых при различных напряже-ниях на коллекторе (Uкэ1< Uкэ2). Даже при значительно отличающихся коллекторных напряжениях входные характеристики качественно одинаковы и незначительно смещаются вправо с ростом Uкэ. Это говорит о наличии слабой связи между входными и выходными цепями биполярного транзистора. Начальный круто восходящий участок каждой из выходных характеристик биполярного транзисто-ра (рис. 18) является нерабочим. Это участок малого напряжения Uкэ, изменяющегося в пределах от 0 до 0,5...1,5 В. При малых значениях Uкэ, соизмеримых с величиной Uбэ, следует учитывать, что напряжение
Рис. 18 Семейство выходных вольтамперных характе-ристик биполярного транзистора Uкэ = 0, когда Uкб = Uбэ. По мере роста Uкэ это прямое напряжение уменьшается и становится равным нулю при Uкэ = Uбэ. Прямое напряжение на коллекторном пе-реходе препятствует прохождению через него из базы в коллектор неосновных но-сителей заряда, которые инжектируются в базу из эмиттера. Поэтому уменьшение прямого напряжения на коллекторном пе-реходе приводит к увеличению экстракции этих носителей из базы в коллектор, а это в свою очередь вызывает резкое возрастание тока коллектора. При Uкэ > Uбэ полярность Uкб изменя-ется на обратную для коллекторного пере-хода. Изменение напряжения Uкэ на этом участке характеристик мало влияет на ве- личину тока коллектора; рабочий участок характеристики идет полого. Увеличение коллекторного напряжения выше максимально допустимого приводит к пробою кол-лекторного перехода. Кроме рассмотренных семейств характеристик для некоторых практических расчетов представляют интерес еще две характеристики: проходная и прямой передачи. Проходная характеристика – это зависимость выходного тока от входного напряжения при посто-янном выходном напряжении. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер. Характеристикой прямой передачи называют зависимость выходного тока от входного. Для схемы с ОЭ это зависимость тока коллектора от тока базы при постоянном напряжении коллектора. studfiles.net 3 Биполярные транзисторы3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.3.1.1 Общие сведенияБиполярным транзистором(БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующимиp-nпереходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко - на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Дваp-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа n-p-n(или со структуройn-p-n) и типаp-n-p(или со структуройp-n-p), условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.
Структура реального транзистора типа n-p-nизображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого переходаn1+-pменьше, чем у перехода n2-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n1с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2).
Рисунок 3.2 Структура реального БТ типа n-p-n. Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n+). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n1+) называетсяэмиттером, а областьn2-коллектором.Соответственно область (p) называется базовой (или базой). Правая областьn+ служит для снижения сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э - эмиттер; Б - база; К- коллектор. Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой -дрейфовыми. Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания. В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.
В нормальном активном режиме(НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер - база UЭБ), а на коллекторном переходе - обратное (напряжение коллектор - база UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления токов дляp-n-pтранзистора. В случаеn-p-nтранзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.
Рисунок 3.4 Физические процессы в БТ. Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название “коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный -обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных. Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода. Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи. Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания UЭБиUКБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (UЭБ= -UБЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов UКБ= UКЭ+ UЭБ. Так как UЭБ= -UБЭ, тoUКБ= UКЭ- UБЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным - в другом случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: UКБ= -UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ= UЭК+ UКБ= UЭК- UБК, при этом правило знаков прежнее. studfiles.net Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работыОбщие сведения
Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рис. 5 2 В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь перехода n1-р меньше, чем у перехода n2-р. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n1 с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n1) называется эмиттером, а область n2 – коллектором. Соответственно переход n1-р называют эмиттерным, а n2-p коллекторным. Средняя область (p) называется базовой (или базой). Контакты с областями БТ обозначены на рис. 5.2,а буквами: Э – эмиттер; Б –база; К– коллектор.
Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми.
В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки. В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер-база UЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор-база UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рис. 5.5 и направления токов для p-n-p-транзистора. В случае n-p-n-транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные. Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. «Собирательная» способность этого перехода и обусловила название «коллектор». Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный – обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР) В этом случае транзистор «работает» в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом. Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу, и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода. Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые токи. Наглядно связь режимов БТ с включением переходов показана на рис. 5.4. Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов. В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания UЭБ и UКБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (UЭБ = – UБЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов. Так как UЭБ = – UБЭ, то UКБ = UКБ – UБЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным – в другом случае. Всхеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: UКБ = – UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ = UЭК + UКБ = = UЭК – UБК, при этом правило знаков прежнее.
Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рис. 5.5), 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 нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение Uэб. Поэтому прямой ток перехода IЭ = IЭp + IЭn +IЭрек (5.1) где IЭp, IЭn – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а IЭрек – составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера (см. §3.5.1). Относительный вклад этой составляющей в ток перехода IЭ в (5.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие IЭp и IЭn. определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n-перехода. Если вклад IЭрек незначителен, то вместо (5.1) можно записать IЭ = IЭp + IЭn(5.2) Полезным в сумме токов выражения (5.1) является только ток IЭp, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. «Вредные» составляющие тока эмиттера IЭn и IЭрек протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты IЭn, IЭрекдолжны быть уменьшены. Эффективность работы змиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера
который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током IЭрек
Коэффициент инжекции γЭтем выше (ближе к единице), чем меньше отношение IЭn / IЭp. Величина IЭn / IЭp << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p-транзистора NaЭ на несколько порядков выше концентрации доноров NдБ в базе (NaЭ >> NдБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах. Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток IЭp? 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 обусловливает 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
Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса æБ: æБ Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение æБ тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами – основными носителями базовой области. Ток IБрек одновременно 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 ток IБрек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей IЭn. Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить æБ, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров NдБ. Это совпадает с требованием NaЭ >> NдБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы Wб и диффузионной длины дырок в базовой области LpБ. Доказано, что имеется приближенное соотношение æБ Например, при Wб/LpБ= 0.1 , æБ = 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 (см. § 3.5.3), то ток за коллекторным переходом с учетом (5.5) IKp=I*Kp=IЭр – IБрек (5.8) С учетом (5.6) и (5.3) получим IKp= æБ IЭр= γЭ æБ IЭ =α IЭ(5.9) где α = γЭ æБ = IKp/IЭ(5.10) Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называют статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Ток коллектора имеет еще составляющую IКБ0. которая протекает в цепи коллектор-база при IЭ = 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 обычном р-n-переходе (диоде). Таким образом, полный ток коллектора с учетом (5.8) и (5.10) IK = IKp + IКБ0 = α IЭ + IКБ0 (5.11) Из (5.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока: α =(IK – IКБ0)/IЭ (5.12) числитель которого (IК – IКБ0) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, IKp. Обычно рабочие токи коллектора IK значительно больше IКБ0. поэтому α ≈ IK/IЭ(5.13) С помощью рис. 5.5 можно представить ток базы через компоненты: IБ = IЭ n + IЭ рек + IБ рек– IКБ0 (5.14) По первому закону Кирхгофа для общей точки IЭ = IK + IБ (5.15) Как следует из предыдущего рассмотрения, IK и IБ принципиально меньше тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы IБ = IЭ– IK (5.16) Используя (5.16) и (5.11), получаем связь тока базы с током эмиттера IБ = (1–α)IЭ–IКБ0 (5.17) 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. По значению I′Э = IКБ0 /(1–α) ток IБ= 0, а при дальнейшем увеличении IЭ (IЭ > I′Э) ток базы оказывается положительным. Подобно (5.11) можно установить связь IK с IБ. Используя (5.11) и (5.15), получаем
где
– статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение α обычно близко к единице, то β может быть очень большим (β >> 1). Например, при α = 0.99, β = 99. Из (5.18) можно получить соотношение β = (IK – IКБ0) / (IБ + IКБ0) (5.20) Очевидно, что коэффициент β есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (IK – IКБ0) к управляемой части базового тока (IБ + IКБ0). Действительно, используя (5.14), получаем IБ + IКБ0 = IЭ n + IЭ р + IБ рек Все составляющие последнего выражения зависят от IЭ и обращаются в нуль при IЭ =0. Введя обозначение IКЭ0 = IКБ0/(1– α)=( β+1) IКБ0 (5.21) можно вместо (5.18) записать
Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭ0: это значение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ = 0) или при «обрыве» базы. При IБ = 0 IK = IЭ, поэтому ток IКЭ0 проходит через все области транзистора и является «сквозным» током, что и отражается индексами «К» и «Э» (индекс «0» указывает на условие IБ = 0).
Эффект Эрли
К каким же последствиям может привести эффект Эрли? Для определенности рассмотрим увеличение обратного напряжения UКБ, приводящее к уменьшению ширины базовой области WБ. 1. Уменьшение WБ вызовет рост градиента концентрации неосновных носителей в базе и, следовательно, рост тока эмиттера. На рис. 5.7 увеличение модуля |UКБ| от |UКБ1| до |UКБ1| при постоянном (заданном) напряжении UЭБсоответствует переходу от распределения 1 к распределению 2. Так как θЭ2 > θЭ1 (увеличение градиента), то IЭ2 > IЭ1. 2. В ряде случаев при изменении UКБ требуется сохранить ток эмиттера. Чтобы вернуть IЭ от значения IЭ2 к значению IЭ1, необходимо уменьшить напряжение на эмиттерном переходе до значения, при котором градиент вернется к исходному значению (θЭ3 = θЭ1), а распределение изобразится прямой 3 (A'C), параллельной прямой АБ. 3. Уменьшение WБ приведет также к росту коэффициента переноса æБ в базе. В случае поддержания постоянства тока эмиттера это будет сопровождаться уменьшением тока базы IБ. Однако можно доказать, что IБ также уменьшится, но в меньшей мере, если IЭ не возвратится к исходному значению. 4. Увеличение коэффициента переноса при уменьшении WБ означает некоторый рост статических коэффициентов передачи α и β. 5. Рост α и IЭ при уменьшении WБ приведет к увеличению коллекторного тока (5.11): IК = α IЭ + IКБО. Так как α ≈ 1 и его рост относительно мал, даже если он достигнет предельного значения (α = 1), то основное влияние окажет рост IЭ. 6. В ряде случаев требуется при уменьшении ширины базы из-за эффекта Эрли сохранять неизменным ток базы. Для компенсации произошедшего уменьшения IБнеобходимо дополнительно увеличить IЭ (т.е. общий поток инжектированных в базу носителей) в соответствии с формулой (5.17): IБ = (1–α)IЭ–IКБ0
Похожие статьи:poznayka.org Устройство и принцип действияБиполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке. Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь P-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора необходима малая толщина базы.
Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Транзисторы на основе арсенида галлия используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие невыпрямляющие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и слаболегирована, поэтому имеет большое омическое сопротивление. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам — большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, что увеличивает тепловыделение, способствует отводу тепла от коллектора), поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (нецелесообразно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате аналогичный исходному биполярный транзистор — инверсное включение). В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно бо́льшим током коллектора. studfiles.net Принцип действия биполярного транзистораКоличество просмотров публикации Принцип действия биполярного транзистора - 254 Рассмотрим физические процессы, происходящие в транзисторе, как в системе двух взаимодействующих p-n – переходов. Выберем для анализа транзистор структуры p-n-p. Биполярному транзистору присущи некоторые конструктивные особенности: p-n-переходы сформированы очень близко друг к другу на расстоянии меньше длины диффузионного пробега носителей зарядов, в связи с этим заряды, прошедшие через один переход, могут достичь другого перехода и проникнуть через него; эмиттерную и коллекторную области легируют примесями значительно больше, чем область базы, в связи с этим концентрация базовых носителей (дырок) в эмиттере и коллекторе гораздо выше, чем электронов в базе. Из-за этого области p-n – переходов эмиттер-база (DХЭБ) и коллектор-база (DХКБ) смещены в область базы, что дополнительно уменьшает ширину базы. Схематичное изображение транзистора с такими конструктивными особенностями представлено на рис. 6.2. Рис. 6.2. Схематичное изображение транзистора структуры p-n-p Подключение к электродам транзистора внешних источников питания ЕЭБ плюсом к эмиттеру открывает переход эмиттер-база, а ЕКБ минусом к коллектору закрывает переход коллектор-база. Через открытый переход эмиттер-база начинает протекать ток эмиттера IЭ – ток базовых носителей зарядов: дырки из эмиттера проходят в базу, а электроны из базы – в эмиттер. Размещено на реф.рфПоскольку концентрация электронов в базе мала, то в базу проникает больше дырок, чем уходит из неё электронов. Происходит инжекция (проникновение) в базу не базовых для неё носителей зарядов – дырок. Инжектированные в базу дырки перемещаются в ней и частично рекомбинируют (соединяются, взаимно уничтожаются) с малым числом электронов, образуя ток базы IБ. Но ширина базы меньше длины диффузионного пробега дырок, в связи с этим большая часть дырок избегает рекомбинации и подходит к переходу коллектор-база. Переход коллектор-база закрыт для электронов (базовых носителей зарядов в базе), но для не базовых носителей он не представляет препятствия. Наоборот, электрическое поле от ЕКБ в области перехода коллектор-база ускоряет дырки, которые свободно проходят в коллектор, создавая ток коллектора IК. Токи в транзисторе связаны соотношением: . (6.1) Это – основное уравнение токов в транзисторе. Основным показателем качества транзистора является коэффициент передачи тока. Различают коэффициент передачи тока эмиттера: статический и динамический (дифференциальный) . (6.2) Поскольку ток коллектора всегда меньше тока эмиттера на величину тока базы, коэффициент передачи тока эмиттера всегда меньше единицы. Обычно . Коэффициент передачи тока базы: статический и динамический (дифференциальный) . (6.3) Поскольку ток коллектора всегда больше тока базы, коэффициент передачи тока базы всегда больше единицы. Обычно . Коэффициенты передачи тока можно выразить один через другой: ; . (6.4) Коэффициенты передачи тока зависят от режима работы транзистора. Особенно сильно они зависят от тока эмиттера. График зависимости a от IЭ представлен на рис. 6.3. Рис. 6.3. Зависимость коэффициента передачи тока эмиттера a от тока эмиттера IЭ В области 1 малых токов эмиттера a ® 0, так как чересчур мало дырок проникает из эмиттера в базу, и они почти все рекомбинируют, не достигая коллектора. В области 2 средних токов эмиттера a = const, транзистор работает так, как было рассмотрено выше. В области 3 больших токов эмиттера в базе образуется избыточный заряд не базовых носителей, снижается длина диффузионного пробега, растёт количество рекомбинаций, и a снижается. Дополнительно на работу транзистора влияет величина напряжения на коллекторе. При увеличении UКБ увеличивается толщина перехода коллектор-база DХКБ за счёт области базы. Толщина базы уменьшается. Это явление носит название модуляции ширины базы (эффект Эрли). Из-за эффекта Эрли: 1. Уменьшается число рекомбинаций в базе и время пролёта не базовых носителей через область базы, из-за чего уменьшается ток базы и возрастает ток коллектора, что приводит к увеличению коэффициентов передачи тока a и b. 2. При некоторой достаточно большой величине UКБ ширина базы DХБ ® 0, эмиттерный и коллекторный переходы смыкаются, и транзистор переходит в режим лавинного пробоя. Обычно это заканчивается электрическим пробоем цепи коллектор-эмиттер и выходом транзистора из строя. 3. Незначительно возрастает ток эмиттера, так как снижается напряжение UЭБ и входное сопротивление rЭБ. Это принято называть обратной связью по напряжению. Численное значение обратной связи определяется как коэффициент . Более подробные сведения об h-параметрах транзистора можно прочитать в [20]. referatwork.ru | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа п-р-п (или со структурой n-p-n) и типа р-п-р (или со структурой р-n-р), условные изображения которых показаны на рис. 5.1.
Рабочей (активной) частью БТ является область объема структуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (но заштрихована на рис. 5.2,а). Остальные (заштрихованные) участки структуры являются пассивными («паразитными»), обусловленными конструктивно-технологическими причинами. На рис. 5.2,б показана идеализированная структура БТ без пассивных областей, т.е. только активная часть транзистора, изображенная для удобства описания горизонтально. Сильнолегированная эмиттерная область обозначена верхним индексом «+» (n+), а нижние индексы 1 и 2 опущены.
Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис. 5.3 показаны эти схемы включения для р-n-р-транзистора. Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рис. 5.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.
(5.3)
(5.4)
(5.5)
(5.6)
(5.7)
(5.18)
(5.19)
(5.22)
В реальном БТ изменение напряжений на переходах UЭБ и UКБ вызывает изменение толщины обедненных слоев перехода и смещение границ базовой области, т.е. изменение ширины базовой области. Это явление называют эффектом Эрли. Особеннозаметноизменение ширины базы при подаче обратных напряжений на переходы. В нормальном активном режиме, когда на эмиттерном переходе прямое напряжение, а на коллекторном обратное и сравнительно большое по величине, толщина коллекторного перехода значительно больше, чем эмиттерного, и влиянием смещения границы эмиттерного перехода можно пренебречь. Поэтому увеличение (по модулю) обратного напряжения UКБ будет приводить к расширению коллекторного перехода и сужению базовой области.
