Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Принцип действия биполярного транзистора
Принцип действия транзистора рассмотрим на примере транзистора типа p-n-p (рис. 3.25). В отсутствие внешних напряжений на границах раздела трех слоев образуются объемные заряды, создается внутреннее электрическое поле и между слоями действует внутренняя разность потенциалов. Потенциальный барьер в каждом из переходов устанавливается такой величины, чтобы устанавливалось равновесие диффузионного и дрейфового потоков носителей заряда, движущихся через переходы в противоположных направлениях, т.е. равенство нулю протекающих через них токов. Внешние напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном направлении. Это достигается с помощью двух источников напряжения U эб и U кб (рис. 3.25). Напряжение U эб подключается положительным полюсом к эмиттеру относительно базы, напряжение U кб – отрицательным полюсом к коллектору относительно базы (схема включения транзистора с общей базой). Поскольку в эмиттерном переходе П1 внешнее напряжение U эб действует в прямом направлении, потенциальный барьер для дырок – основных носителей заряда эмиттерного слоя – уменьшается и дырки из эмиттера под действием диффузии будут в большом количестве переходить (инжектировать) в область базы, создавая ток I эр (рис. 3.25). Аналогичным образом увеличится диффузионный поток электронов – основных носителей заряда в базе – в эмиттер, создавая ток. Составляющая тока I э n много меньше составляющей I эр, так как при проектировании транзистора базовый слой делается намного более высокоомным, чем эмиттерный и коллекторный слои. Т.е. концентрация основных носителей заряда в базе много меньше концентрации основных носителей заряда в эмиттере pp >> nn. Общий ток в цепи эмиттера в этом случае содержит две составляющие I э = I эр + I э n . Одним из важнейших показателей эмиттерного перехода является так называемый коэффициент инжекции g, показывающий, какую часть от полного эмиттерного тока составляет его дырочная составляющая: g = I эр / I э . С точки зрения качества эмиттерного перехода необходимо, чтобы коэффициент инжекции g стремился к единице. Эту задачу решают применением высокоомного исходного полупроводника для создания базового слоя и введением большой концентрации акцепторной примеси для получения эмиттерного слоя. Для выпускаемых промышленностью транзисторов коэффициент инжекции g = 0,97-0,995. Процессы в базовом слое определяются а основном поведением дырок, перешедших в базу через эмиттерный переход. Ввиду относительно малой толщины базового слоя (соизмеримого с длиной свободного пробега дырок и электронов) основная часть дырок, инжектированных в базу из эмиттера, подхватываются электрическим полем источника U кб и через переход П2 попадают в коллектор, создавая ток I кр (рис. 3.25). Наличие дырок и электронов в базе приводит к тому, что в процессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинирует с электронами, создавая ток I бр (рис. 3.25). В соответствии с этим соотношение для дырочных составляющих токов транзистора имеет вид I эр = I кр + I бр. Для определения части дырок, прошедших из эмиттера в коллектор, вводят коэффициент переноса дырок в базе, равный отношению дырочной составляющей коллекторного тока к дырочной составляющей эмиттерного тока транзистора: d = I кр / I эр Желательно, чтобы величина коэффициента d как можно меньше отличалась от единицы. Способы приближения к единице коэффициента d направлены на сокращение потерь дырок в базе за счет актов рекомбинации. Это достигается сокращением времени нахождения дырок в базе (уменьшением толщины базового слоя) и увеличением скорости их прохождения через базу. Типовые значения d для транзисторов лежат в пределах 0,96-0,996. Коллекторный ток транзистора связан с током эмиттера I э коэффициентом передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ) a: a = I кр / I э. Умножив числитель и знаменатель последнего выражения на Iэр, получим a = ( I эр / I э )( I кр / I эр ) = g d. Следовательно, коэффициент a тем ближе к 1, чем меньше отличаются от 1 коэффициенты g и d. Для современных транзисторов коэффициент передачи a составляет 0,9-0,999 и имеет некоторую зависимость от температуры. Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению дополнительной неуправляемой составляющей тока коллектора, обусловленной протеканием обратного тока коллекторного перехода I ко (рис. 3.25). Обратный ток создается дрейфом неосновных носителей заряда из близлежащих областей обратно включенного p-n-перехода, в данном случае дырками, концентрацией pn в базе, и электронами, концентрацией np в коллекторе. Поскольку концентрации неосновных носителей зависят от температуры, величина обратного тока также зависит от температуры, поэтому этот ток часто называют тепловым. От величины тока эмиттера I ко не зависит. Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока I к под действием подводимого входного тока I э, обуславливается изменением дырочной составляющей коллекторного тока I кр за счет изменения дырочной составляющей эмиттерного тока I эр. Таким образом, принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (выходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током. Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа: I э = I к + I б. С учетом теплового тока I ко и соотношения (1) токи I к и I б можно выразить через I э: I к = a I э + I ко, (3.1) I б = (1- a ) I э - I ко. Различают три основные режима работы биполярного транзистора: 1. Активный режим – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. 2. Режим глубокой отсечки – оба перехода транзистора смещены в обратном направлении с помощью внешних напряжений. Ток коллектора при этом имеет минимальное значение, равное току p-n-перехода смещенного в обратном направлении. Ток эмиттера имеет противоположный знак и значительно меньше тока коллектора и его принимают равным нулю. Ток база примерно равен току коллектора. Режим глубокой отсечки характеризует запертое состояние транзистора, в котором его сопротивление максимально, а токи электродов минимальны. Он широко используется в импульсных устройствах, где транзистор играет роль электронного ключа. 3. Режим насыщения – оба перехода с помощью приложенных внешних напряжений смещены в прямом направлении. При этом падение напряжения на транзисторе (Uкэ) минимально и оценивается десятками милливольт. Режим насыщения возникает тогда, когда ток коллектора ограничен параметрами внешнего источника энергии и при данной схеме включения не может превысить какое-то значение Ik max. В то же время параметры источника внешнего сигнала взяты такими, что ток эмиттера существенно больше максимального значения тока коллектора: Ik max< a Iэ. Из сказанного ясно, что, для того чтобы транзистор из активного режима перешел в режим насыщения, необходимо увеличить ток эмиттера так, чтобы начало выполняться последнее условие. Свойства транзисторов описываются системой характеристик и параметров. К основным параметрам транзисторов относятся следующие: 1. Iк макс - максимально допустимый коллекторный ток; 2. Uкэ макс (Uкб макс) - максимально допустимые напряжения коллектор-эмиттер или коллектор-база; 3. Рк макс - максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе; 4. b ( a ) - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (с общей базой); 5. Iко - обратный коллекторный ток. |
Последнее изменение этой страницы: 2019-05-08; Просмотров: 166; Нарушение авторского права страницы