Токи в транзисторе
Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы включения с общей базой (рисунок 2.33), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p-транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.
В активном режиме на эмиттерном переходе действует прямое напряжение UЭБ. Прямой ток перехода при этом равен:
, (3.1)
где IЭ р, IЭ n – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а IЭ РЕК - составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода IЭ в тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие IЭ р и IЭ n, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n-перехода. Если вклад IЭ РЕК незначителен, то вместо (3.1) можно записать:
. (3.2)
В сумме токов выражения (3.2) полезной является только составляющая IЭр, так как она будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. «Вредные» составляющие тока эмиттера IЭ n и IЭ РЕК протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты IЭ n, IЭ РЕК должны быть уменьшены.
Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера:
, (3.3)
который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током IЭ РЕК:
. (3.4)
Коэффициент инжекции gЭ тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение IЭ n/ IЭ р. Величина (IЭ n/ IЭ р ) << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p-транзистора NАЭ на несколько порядков выше концентрации доноров NДБ в базе (NАЭ >> NДБ). Это условие, как правило, выполняется в транзисторах.
Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок - неосновных носителей базы. Этот градиент обуславливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок IБ РЕК, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок будет равен:
. (3.5)
Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:
. (3.6)
Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение cБ тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами - основными носителями базовой области. Ток
IБ РЕК одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток IБ РЕК следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей IЭ n.
Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить cБ, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров NДБ. Это совпадает с требованием NАЭ>>NДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы WБ и диффузионной длины дырок в базовой области LpБ. Доказано, что имеется приближенное соотношение:
. (3.7)
Например, при WБ/Lp Б = 0,1 cБ = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.
Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.6):
(3.8)
С учетом (3.4) и (3.6) получим
, (3.9)
где
. (3.10)
Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называют статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.
Ток коллектора имеет еще составляющую IКБО, которая протекает в цепи коллектор – база при IЭ = 0 (холостой ход, «обрыв» цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычном p-n-переходе (диоде).
Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.9) :
. (3.11)
Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:
, (3.12)
числитель которого (IК – IКБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, IК р. Обычно рабочие токи коллектора IК значительно больше IКБ0, поэтому
. (3.13)
С помощью рис. 3.4 можно представить ток базы в виде:
. (3.14)
По первому закону Кирхгофа для общей точки:
. (3.15)
Как следует из предыдущего рассмотрения, IК и IБ принципиально меньше тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы:
. (3.16)
Используя (3.11) и (3.16), получаем связь тока базы с током эмиттера:
. (3.17)
Если в цепи эмиттера нет тока (IЭ = 0, холостой ход), то IБ = - IКБ0, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I*Э = IКБ0 /(1-a) ток IБ = 0, а при дальнейшем увеличении тока эмиттера IЭ (IЭ>I*Э) ток базы оказывается положительным.
Подобно (3.11) можно установить связь IК с IБ. Используя (3.11) и (3.17), получаем:
, (3.18)
где
; (3.19)
- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть значительно больше единицы (b>>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (3.19) можно получить соотношение:
. (3.20)
Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (IК - IКБ0) к управляемой части базового тока
(IБ + IКБ0).
Все составляющие последнего выражения зависят от IЭ и обращаются в нуль при IЭ = 0. Введя обозначение:
, (3.21)
можно вместо (3.19) записать:
. (3.22)
Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭ0: это значение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ = 0) или при «обрыве» базы. При IБ = 0
IК = IЭ, поэтому ток IКЭ0 проходит через все области транзистора и является «сквозным» током, что и отражается индексами «К» и «Э» (индекс «0» указывает на условие IБ = 0).
Дата добавления: 2015-04-21; просмотров: 1811;