Біполярні транзистори (стр. 2 из 4)

Роботу транзистора можна наочно представити за допомогою потенційної діаграми, яка приведена на мал. 4 для транзистора типу n–p–n. Потенціал емітера прийнятий за нульовий. У емітерному переході є невеликий потенційний бар'єр. Чим більше напруга Uб-э,, тим нижче цей бар'єр. Колекторний перехід має значну різницю потенціалів, прискорюючу електрони.

Мал.4 Потенційна діаграма роботи n–p–n транзисторa

Окрім розглянутих основних фізичних процесів в транзисторах доводиться враховувати ще ряд явищ.

Істотно впливає на роботу транзисторів опір бази rб0, тобто опір, який база надає струму бази iб (нуль в індексі тут означає, що дана величина відноситься до постійного струму). Цей струм протікає до виведення бази в напрямі, перпендикулярному напряму еміттер–коллектор. Оскільки база дуже тонка, то в напрямі від емітера до колектора, тобто для струму iк її опір дуже малий і не береться до уваги. А у напрямі до виведення бази опір бази rб0 (його називають поперечним) досягає сотень ом, оскільки в цьому напрямі база аналогічна дуже тонкому провідникові. Напруга на емітерному переході завжди менша, ніж напруга Uб‑э між виводами бази і емітера, оскільки частина напруги, що підводиться, втрачається на опорі бази. З врахуванням опору rби 0 можна змалювати еквівалентну схему транзистора для постійного струму (мал. 5).

Мал. 5 Еквівалентна схема транзистора для постійного струму

На мал. 5, rэ0 – опір емітера, в який входять опір емітерного переходу і емітерної області. Значення rэ0в малопотужних транзисторів досягає десятків ом, оскільки напруга на емітерному переході не перевищує десятих доль вольта, а струм емітера в таких транзисторах складає одиниці міліампер. В потужніших транзисторів більше і iэ0 відповідно менше. Опір rб0 визначається формулою (у омах)

ду струм iэ виражається в міліамперах.

Опір колектора rко є практично опором колекторного переходу і складає одиниці і десятки кілоом. У нього входить також опір колекторної області, але воно порівняльно мало і їм можна нехтувати.

Розглянута еквівалентна схема є наближеною, оскільки насправді емітер, база і колектор мають між собою контакт не в одній точці, а в безлічі точок за всією площею переходів. Проте, ця схема може застосовуватися для розгляду багатьох процесів в транзисторі.

При підвищенні напруги на колекторному переході в нім відбувається лавинне розмноження носіїв заряду, через ударну іонізацію. Це явище і тунельний ефект здатні викликати електричний пробій, який при зростанні струму може перейти в тепловий пробій переходу. Електричний і тепловий пробій колекторного переходу в транзисторі відбувається в основному так само, як і в діоді. Але в транзисторі при надмірному колекторному струмі може виникати тепловий пробій без попереднього електричного пробою, тобто без підвищення напруги на колекторному переході до пробивного. Це явище, пов'язане з перегрівом колекторного переходу називається вторинним пробоєм.

Зміна напруги на колекторному і емітерному переходах супроводиться зміною товщини цих переходів. В результаті змінюється товщина бази. Таке явище називають модуляцією товщини бази. Його особливо треба враховувати при підвищенні напруги коллектор–база, оскільки тоді товщина колекторного переходу зростає, а товщина бази зменшується.

При дуже тонкій базі може статися ефект зімкнення («прокол» бази) – з'єднання колекторного переходу з емітерним. В цьому випадку область бази зникає і транзистор перестає нормально працювати.

При збільшенні інжекції носіїв з емітера в базу відбувається накопичення неосновних носіїв заряду в базі, тобто збільшення концентрації і сумарного заряду цих носіїв. І навпаки, при зменшенні інжекції відбувається зменшення концентрації і сумарного заряду неосновних носіїв в базі. Цей процес називають розсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі.

Розглянемо співвідношення між струмами в транзисторі. Струм емітера управляється напругою на емітерному переході, але до колектора доходить декілька менший струм, який можна назвати керованим колекторним струмом iк. упр.. Частина інжектованих з емітера в базу носіїв рекомбінує, тому

де a–коеффіциент передачі струму емітера, що є основним параметром транзистора. При нормальних струмах він може мати значення від 0,950 до 0,998. Чим слабкіше рекомбінація інжектованих носіїв в базі, тим ближче а до 1.

Через колекторний перехід завжди проходить дуже невеликий (не більш за одиниці мікроампер) некеруємий зворотний струм iк0 (мал. 6). Цей струм називають ще початковим струмом колектора. Він некеруємий тому, що не проходить через емітерний перехід. Таким чином, повний колекторний струм

(1)

Мал. 6 Напрями струмів в транзисторі

У багатьох випадках

і тому можна вважати, що .

Перетворимо формулу (1)

Виразимо:

Позначимо

і тоді ; (2)

тут

– коефіцієнт передачі струму бази і складає декілька десятків.

Наприулад, якщо a=0,95,

а якщо a=0,99, то

Тобто при збільшенні a на 0,04, b збільшився в п'ять разів.

Виразимо a через b:

Слід зауважити, що коефіцієнт a, не є строго постійним. Він залежить від режиму роботи транзистора, зокрема від струму емітера. При малих і великих струмах a зменшується, а при деякому середньому значенні струму досягає максимуму. В межах робочих значень струму емітера змінюється порівняно мало.

Коефіцієнт b змінюється залежно від режиму роботи транзистора значно більше, ніж коефіцієнт a. При деякому середньому значенні струму емітера коефіцієнт b максимальний, а при менших і більших струмах він знижується, причому інколи у декілька разів.

Струм iк-э0 називають початковим крізним струмом, оскільки він протікає крізь весь транзистор (через три його області і через обоє n–p–перехода) в тому випадку, якщо iб=0, тобто обірваний дріт бази. З (2) при iб=0отримуємо iк=iк-э0. Крізний струм складає десятки або сотні мікроампер і значно перевершує початковий струм колектора iк0.

або а оскільки , то

Порівняно великий струм iк-э0пояснюється тим, що деяка частина напруги Uк-э, прикладена до емітерного переходу як пряма напруга. Внаслідок цього зростає струм емітера, а він в даному випадку і є крізним струмом.

При значному підвищенні напруги Uк-э, струм iк-э0 різко зростає і відбувається електричний пробій.

3. Підсилення за допомогою транзистора

Розглянемо схему підсилювального каскаду з транзистором n–p–n типу (мал. 7). Ця схема називається схемою із загальним емітером (ОЕ), оскільки емітер є загальною точкою для входу і виходу схеми.

Мал. 7. Схема включення транзистора з ОЕ

Вхідна напруга, яку необхідно підсилити, подається від джерела коливань ІК на ділянку база – емітер. На базу поданий також позитивний зсув від джерела E1, яке є прямою напругою для емітерного переходу. Ланцюг колектора (вихідний ланцюг) живиться від джерела E2. Для здобуття підсиленної вихідної напруги в цей ланцюг включено навантаження Rн.

C1 – конденсатор великої ємкості необхідний для того, щоб не відбувалася втрата частини вхідної змінної напруги на внутрішньому опорі джерела E1. C2 – необхідний для того, щоб не було втрати частини вихідної посиленої напруги на внутрішньому опорі джерела E2.

Розглянемо еквівалентну схему колекторного ланцюга (мал. 8).

Мал. 8. Еквівалентна схема колекторного ланцюга при включенні транзистора з ОЕ

Робота підсилювального каскаду з транзистором відбувається таким чином. Напруга джерела E2 ділиться між опором навантаження і внутрішнім опором транзистора r0, яке він надає постійному струму колектора. Цей опір приблизно дорівнює опору колекторного переходу rк0 для постійного струму. Насправді до опору rк0 ще додаються невеликі опори емітерного переходу, а також n– і p–областей, але ці опори можна не брати до уваги.

Якщо у вхідний ланцюг включається джерело коливань, то при зміні його напруги змінюється струм емітера, а отже, опір колекторного переходу rк0. Тоді напруга джерела E2 перерозподілятиметься між Rн і rк0. При цьому змінна напруга на peзиcтopі навантаження Rн може бути отримане в десятки разів більшим, ніж вхідна змінна напруга. Зміни струму колектора майже дорівнюють змінам струму емітера і у багато разів більше змін струму бази. Тому в даній схемі виходить значне посилення струму і дуже велике посилення потужності.