Принцип действия транзистора

Рассмотрим принцип действия n⁺-p-n транзистора. Структура транзистора представлена на рис. 4.

Рис. 4

Потенциальные барьеры на границах p-n переходов препятствует диффузионному движению носителей через переход. При этом дрейфовые токи основных и неосновных носителей через переходы равны и противоположны. Поэтому суммарные токи в каждом переходе равны нулю.

При подключении транзистора по схеме с ОБ в активном нормальном режиме энергетическая диаграмма изменится – потенциальный барьер в эмиттерном переходе уменьшится, а в коллекторном – увеличится. Энергетическая диаграмма представлена на рис. 5.

Рис. 5

Вследствие снижения потенциального барьера на эмиттерном переходе из эмиттера в базу, начинается диффузионное движение, инжекция электронов.

Поскольку область эмиттера легирована значительно сильнее, чем область базы (N_ДЭ » N_АБ), то инжекцией дырок из базы в эмиттер можно пренебречь. Поэтому ток эмиттера в основном определяется потоком инжекции электронов: I_Э » I_Эn+ I_Эp (т.к. ток направлен противоположно потоку электронов, то I_Э » − I_kЭ).

Вследствие инжекции концентрация электронов в области базы вблизи эмиттерного перехода резко возрастает. Появляется градиент концентрации электронов, который обуславливает диффузионное движение электронов в направлении коллекторного перехода. По мере продвижения к коллекторному переходу часть электронов будет рекомбинировать с дырками, являющимися основными носителями в базе. Вследствие рекомбинации возникает ток базы I_Б.

В транзисторах ширина базы W_б выбирается так, чтобы диффузионная длина неосновных носителей L_n была значительно больше W_б  (L_n > > W_б).

Поэтому подавляющая часть электронов (99%), инжектированных в базу, диффундирует к коллекторному переходу, не успевая рекомбинировать с дырками в базе. Вблизи коллекторного перехода электроны подхватываются ускоряющим полем коллекторного перехода и втягиваются в коллектор. Происходит экстракция электронов из базы в коллектор. Этот поток электронов образует ток коллектора I_К.

Легко заметить, что I_Э = I_К + I_Б.

Для количественной оценки составляющих полного тока через эмиттерный переход используют коэффициент инжекции, так как , то коэффициент инжекции близок к единице :

Процессы рекомбинации носителей в базе, определяющие токи базы, приход дырок из внешней цепи - ток в базу (дефицит при рекомбинации); движение дырок, число которых равно числу электронов, ушедших через коллекторный переход, можно охарактеризовать коэффициентом переноса неосновных носителей через базу: .

Коэффициент  тем ближе к единице, чем меньше толщина базы W_б по сравнению с диффузионной длиной электронов L_n.

Коэффициенты инжекции  и переноса рассчитываются теоретически.

Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители, инжектированные эмиттером, достигли бы коллектора. И ток I_Э был бы равен току коллектора I_К.

Однако в действительности только часть  тока эмиттера составляют электроны, и только их часть  доходит до коллекторного перехода. Поэтому ток коллектора, вызванный инжекцией неосновных носителей через эмиттерный переход, определяется:  где , − коэффициент передачи эмиттерного тока (или коэффициент усиления по току),  не превышает единицы, т.к.  и  меньше 1 и составляет примерно 0, 99 0, 96.

Кроме тока, вызванного инжектированием в базу неосновных носителей, через коллекторный переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток (ток насыщения, тепловой ток) I_КБО. Причины его возникновения те же, что и в одиночном р-n переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи .

Таким образом, в транзисторе через эмиттерный переход протекает управляющий входной ток I_Э (цепь Э-Б), через коллекторный переход протекает управляемый (выходной) ток  и обратный ток коллектора I_КБО (в цепи К-Б), а через базу – разностной ток эмиттера и коллектора I_Б. В реальных транзисторах незначительные смещения эмиттерного перехода в прямом направлении (U_эб) вызывают значительные изменения тока I_Э, а следовательно и тока I_К, коллекторный переход смещен в обратном направлении и поэтому ток I_К  практически не зависит от U_кб, т.к. не зависимо от его величины, в коллектор переходят практически все электроны инжектированные эмиттером. Так как I_Э  I_К, то усиление по току отсутствует, но, т.к. обычно , то на включенной в цепь коллектора нагрузке можно получить значительные изменения напряжения, т.е. получить усиление по напряжению, и следовательно, по мощности.

Биполярный транзистор является прибором, в котором входной ток управляет выходным, т.е. усилительным прибором с управлением по току.

В режиме насыщения оба перехода включены в прямом направлении. При этом инжекция носителей в базу происходит через оба перехода. Поэтому ток экстракции носителей из базы в коллектор снижается на величину тока инжекции из коллектора в базу. В базе наблюдается накопление носителей и их интенсивная рекомбинация. Вследствие этого ток базы сравним с током эмиттера. Усиление практически отсутствует.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении и через переходы протекают только тепловые токи насыщения, а также токи утечки. Поэтому управление транзистором невозможно.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: