Физические процессы. Режимы работы транзистора.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 7Следующая ⇒

В нормальном активном режиме, являющимся основным для усилительных схем, на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. При этом электроны инжектируются из эмиттера в базу, проходят ее почти без рекомбинации (поскольку ширина базы мала) и беспрепятственно попадают в коллектор, находящийся под положительным потенциалом.

Таким образом, при нормальном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители.

При указанной полярности напряжения коллектор способен собирать только электроны, поэтому ток эмиттера должен содержать в основном электронную составляющую. Для этого эмиттер легируют значительно сильнее, чем базу.

В нормальном включении токи коллектора и эмиттера почти одинаковы с точностью до небольшого тока базы. Последний ток компенсирует убыль основных носителей (дырок) в результате рекомбинации, которая имеет место даже при очень малой толщине базы, а также в результате небольшой инжекции дырок из базы в эмиттер.

Сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода очень велико – несколько МОм и более. Поэтому в цепь коллектора можно включать большие сопротивления нагрузки, не изменяя величину коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность. Сопротивление прямо смещенного эмиттерного перехода, напротив, мало. Например, при токе мА оно составляет всего Ом. Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается несравненно меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, т.е. является усилительным прибором.

Необходимо подчеркнуть, что транзистор представляет собой, вообще говоря, обратимый прибор, т.е. эмиттер и коллектор можно поменять местами, сохранив в той или иной мере работоспособность прибора. Такой вывод вытекает из однотипности крайних слоев. Однако в связи с несимметричностью слоев (площадь эмиттерного слоя меньше, чем площадь коллекторного слоя), а также различием материалов эмиттера и коллектора в большинстве типов транзисторов нормальное и инверсное включение неравноценны. Передача тока при инверсном включении значительно хуже, чем при нормальном. Причины этого следующие. Во-первых, в связи с малым легированием коллектора мала электронная составляющая коллекторного тока. Во-вторых, площадь реального коллектора значительно больше эмиттера, поэтому на эмиттер попадает лишь небольшая часть электронов, инжектированных коллектором.

Особое место в работе транзистора занимает режим насыщения или режим двойной инжекции. В этом режиме на обоих переходах – эмиттерном и коллекторном – действуют прямые напряжения. Следовательно, эмиттер и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие от другого слоя.

Если оба перехода смещены в обратном направлении, то через транзистор будет протекать минимальный тепловой ток. Такой режим называется режимом отсечки.

Рассмотрим более подробно физические процессы, протекающие в транзисторе n-p-n в активном режиме, т.е. эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном направлении (рис.7.12).

Рис.7.12

Физические процессы происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения U_эб понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно ток через этот переход . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу. Поскольку толщина базы выбирается такой, что , то подавляющее большинство электронов, инжектированных эмиттером, достигает коллектора, не успев рекомбинировать с дырками базы. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают в его ускоряющее поле и втягиваются в коллектор. В бездрейфовых транзисторах база должна быть электрически нейтральной. Из-за частичной рекомбинации электронов и дырок нейтральность базы нарушается. Для ее восстановления, т.е. для восполнения положительного заряда дырок, в установившемся режиме работы от источника напряжения U_эб в базу вводится необходимое число дырок, которые образуют рекомбинационный ток базы. Физически это соответствует оттоку избытка электронов к источнику U_эб. Кроме того, в цепи базы протекает ток , являющийся обратным током коллекторного перехода. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

. (7.16)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно составляет малую долю тока эмиттера, т.е , а, следовательно, можно считать Именно для того, чтобы ток был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примеси, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Основные схемы включения.

Выше подразумевалось, что оба напряжения на эмиттере и коллекторе ( и ) отсчитываются относительно базы, принятой за основной электрод, общий для входной и выходной цепи транзистора.

Рис.7.13

Такое включение транзистора (рис.7.13а), позволяющее строго и наглядно изучить его физические свойства и параметры, называют включением с общей базой и обозначают ОБ.

Установим соотношения между токами для схемы с ОБ. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током.

где α – коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0, 95 до 0, 998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе α к единице. Через коллекторный переход всегда проходит неуправляемый обратный ток коллектора . Таким образом, полный коллекторный ток

(7.17)

Эта схема не обеспечивает усиления по току и обладает малым входным сопротивлением, что делает ее не оптимальной для большинства применений. Однако имеет хорошие частотные и временные характеристики.

Основное применение в схемах находит другое включение - с общим эмиттером (рис.7.12б); обозначают такое включение буквами ОЭ. Коэффициент усиления такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, переменных составляющих токов коллектора и базы.

Преобразуем выражение (7.17) так чтобы выразить зависимость тока от тока базы . Заменим суммой :

Решим это уравнение относительно . Тогда получим

Обозначим

и .

Окончательно получим выражение

Здесь β – коэффициент передачи тока базы в цепь коллектора и составляет десятки единиц, причем, незначительные изменения α приводит к большим изменениям β. Ток - обратный ток коллектора для схемы с ОЭ. Он составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит ток для схемы с ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным напряжением является напряжение U_бэ а выходным – U_кэ. Напряжение на базе не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение на коллекторе достигает единиц, а иногда и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности равным сотням или тысячам. Входное сопротивление составляет от сотен Ом до единиц кОм. Это вытекает из того, что при входном напряжении, равным десятым долям вольта входной ток транзисторов малой и средней мощности составляет десятые доли мА. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора с ОЭ составляет от единиц до десятков килом. Каскад с ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т.е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180⁰. Недостатки данной схемы – худшие частотные и температурные свойства по сравнению с ОБ. Влияние частоты и температуры на параметры транзистора будут показаны далее.

При включении транзистора с общим коллектором коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее. Выходное напряжение повторяет входное. Входное сопротивление составляет десятки килом, что является важным достоинством схемы. выходное сопротивление, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килом или сотни Ом.

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения транзисторов сведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 Следующая ⇒