Устройство и принцип работы транзистора
Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три или более выводов.
Ток в таких транзисторах переносится двумя типами носителей - электронами и дырками.
Биполярный транзистор формируется в монокристаллической пластинке полупроводника и имеет три области с чередующимся типом проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p и n-p-n типов. Физические процессы в обоих типах транзисторов одинаковы и отличаются лишь полярностью источников питания и типов носителей, образующих ток через транзистор.
Одну из крайних областей транзистора легируют сильнее. Эта область работает в режиме инжекции и называется эмиттером. Средняя область, слабо легирована примесями, называется базой, а другая крайняя область - коллектором. Коллектор служит для экстракции носителей заряда из базовой области и по размерам он больше эмиттера.
Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между коллектором и базой - коллекторным. В зависимости от полярности внешнего напряжения, приложенного к переходам, транзистор может работать в следующих четырёх режимах:
Режим работы
|
Полярность напряжения
эмиттерного перехода
|
Полярность напряжения
коллекторного перехода
| Активный
| Положительная
| Отрицательная
| Насыщения
| Положительная
| Положительная
| Отсечки
| Отрицательная
| Отрицательная
| Инверсный
| Отрицательная
| Положительная
|
В активном режиме, положительное напряжение на эмиттерном переходе уменьшает высоту потенциального барьера и эмиттер будет инжектировать основные носители (для p-n-p транзистора - это дырки) в базу. Через прямо смещённый эмиттерный переход протекает ток эмиттера Iэ:
Iэ=Iэо{ еxp (Uэ / jT ) } - Iэо, (1)
где Iэо - дрейфовая составляющая тока; Iэо (еxp Uэ /jT) - диффузионная составляющая тока.
Диффузионный ток образуется дырками, инжектированными из эмиттера в базу, и электронами, переходящими из базы в эмиттер. Электроны в эмиттере оказываются неосновными носителями и быстро рекомбинируют. Кроме того, через эмиттерный переход проходит ток, связанный с рекомбинацией носителей в области объёмного заряда (IЭрек), а иногда (при малых общих токах) необходимо учитывать и ток утечки.
За счёт градиента концентрации дырки диффундируют через область базы к коллектору. В транзисторе толщина базы Wб значительно меньше диффузионной длины дырок Lp, поэтому незначительная часть дырок рекомбинирует в объёме базы и на её поверхности, а некоторые из них могут доходить до контакта базы и рекомбинировать на нём (токи Iрекv, Iрекs ,Iрек кон.), а большая часть дырок достигает коллекторного перехода. Так как на коллектор подаётся отрицательное напряжение, то потенциальный барьер возрастает и коллектор работает в режиме экстракции. Дырки, дошедшие до коллекторного перехода, увлекаются полем перехода и создают ток коллектора I Кр, величина которого пропорциональна эмиттерному току IЭр. К этому току добавляется ток носителей, образовавшихся в результате тепловой генерации в базе (IБ ген ), в коллекторе (IK ген). Кроме того, при достаточно больших напряжениях на коллекторном переходе происходит лавинное умножение носителей (Iлав). Могут существовать и токи утечки по поверхности полупроводника. Все эти токи в сумме образуют ток коллектора.
Ток, проходящий к выводу базы, представляет собой алгебраическую сумму токов основных носителей, обуславливающих инжекцию носителей в эмиттер (IЭn), рекомбинацию в эмиттерном переходе (IЭрек) и в базе (Iрекv +Iрекs), обратных токов коллекторного перехода (IБген + Iлав + Iген + IКген), а также тока неосновных носителей заряда, дошедших до вывода базы ( Iрек.кон). Величина и направление тока базы определяется соотношением этих составляющих.
Распределение потоков носителей в транзисторе показано на рис.1.
Рис.1. Распределение стационарных потоков носителей в транзисторе.
Если рассматривать распределение токов в транзисторе с точки зрения взаимного влияния эмиттера и коллектора, то оказывается, что от тока эмиттера существенно зависит только составляющая IКр тока коллектора, обусловленная инжектированными эмиттером в базу носителями, дошедшими до коллектора. Кроме того, на значение тока коллектора влияет не весь эмиттерный ток, а только его составляющая IЭр, связанная с инжекцией неосновных носителей в базу.
Чтобы ток эмиттера эффективно управлял током коллектора, принимают меры для уменьшения всех составляющих тока не принимающих участия в таком управлении. Прежде всего стараются сократить потери носителей заряда, инжектируемых в базу.
При работе транзистора в режиме насыщения(см. рис.1) оба перехода включены в прямом направлении. Это приводит к тому, что не все носители, инжектированные эмиттером и дошедшие до коллекторного перехода, перехватываются им. Условно можно считать, что на встречу потоку неосновных носителей, идущих из базы в коллектор, идёт поток таких же носителей из коллектора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих двух потоков.
В связи с тем, что в режиме насыщения коллекторный переход уже не осуществляет полной экстракции носителей из базы, там происходит их накопление и интенсивная рекомбинация. Ток базы в этом случае может оказаться сравнимым с током эмиттера.
В режиме отсечки на обоих переходах транзистора напряжение обратное и через них проходят токи, обусловленные процессами тепловой генерации носителей заряда в объёме полупроводника, областях объёмного заряда и на невыпрямляющих контактах, а также утечками. При достаточно больших напряжениях происходит лавинное умножение.
Сравнительные характеристики схем включения и режимов работы биполярного транзистора
Из предыдущего анализа мы уже знаем, что транзисторы включают по схемам:
– с общей базой (ОБ);
– с общим эмиттером (ОЭ).
Кроме того, известна и третья схема включения:
Рис. 10.
Включение транзистора
с общим коллектором
– с общим коллектором (ОК) (рис.10).
всех трех схем включения коэффициент усиления по мощности .
Основные особенности этих схем приведены в табл. 1.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|