Принцип дії біполярного транзистора в активному режимі

Принцип дії БТ розглянемо на прикладі схеми зі спільною базою (ССБ), яку показано на рисунку 3.4.

Рисунок 3.4 – Струми в БТ, що працює в активному режимі

На рисунку суцільними стрілками показано діркові струми, або ж умовно прийняті (від “+” до “-”) напрями електронних струмів у - областях, пунктирними стріл­ками – електронні струми в базі.

При полярності напруги , що показано на рисунку 3.4, дірки з емітера інжектують у базу, а електрони – з бази в емітер, оскільки ЕП увімкнено в прямому напрямі. Через ЕП протікають емітерні струми: дірковий та електронний . Отже, в зовнішньому колі протікає емітерний струм

. (3.1)

Співвідношення між складовими струму оцінюється коефіцієнтом інжекції

. (3.2)

Внаслідок інжекції концентрація дірок у базі біля ЕП підвищується до величини , яку можна визначити за формулою (1.19):

, (3.3)

де - концентрація дірок у базі в стані рівноваги.

Розглянемо розподіл концентрації неосновних носіїв (дірок) у базі в цьому режимі. Протяжність бази позначимо координатою х, тоді границя ЕП відповідає випадку , а границя КП – . При концентрація дірок визначається за формулою (3.3). Концентрацію дірок у базі біля КП ( ) визначають за виразом

. (3.4)

Розподіл неосновних носіїв у базі транзистора в установленому режимі визначають за допомогою рівняння неперервності:

, (3.5)

розв’язок якого за граничних умов (3.3) та (3.4) при має вигляд

. (3.6)

З формули (3.6) випливає, що градієнт концентрації неосновних носіїв у базі є величиною сталою відносно координати х, тобто розподіл концентрації дірок у базі має лінійний характер (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ в активному режимі

З цього рисунка та формул (3.3) і (3.6) бачимо, що градієнт концентрації дірок змінюється при зміні напруги . Під дією цього градієнта дірки дифундують через базу від емітера до колектора. Частина дірок, не досягши КП, рекомбінує в області бази з електронами. На місце електронів, що рекомбінували, від джерела надходять нові електрони, створюючи рекомбінаційну складову струму бази .

Дірки, що досягли КП, створюють колекторний дірковий струм , причому внаслідок рекомбінації в базі . Процес перенесення неосновних носіїв через базу під дією градієнта концентрації характеризується коефіцієнтом перенесення:

, (3.7)

який оцінює міру зменшення колекторного діркового струму стосовно емітерного струму .

Дірки, досягши КП, який увімкнено у зворотному напрямі, потрапляють у його прискорювальне поле і перекидаються (екстрагуються) в - область колектора. Екстракція дірок може супроводжуватись ударною іонізацією атомів НП і, як наслідок, лавинним множенням носіїв (при великій зворотній напрузі ). Дірки, що потрапили в колектор внаслідок екстракції (при малих ) або ударної іонізації, порушують електричну нейтральність - області, і це викликає приплив електронів від джерела , тобто протікання в зовнішньому колі колектора струму . Процес помноження носіїв у КП оцінюється коефіцієнтом помноження колекторного струму

. (3.8)

Важливо запам’ятати, що за нормальної роботи БТ , і струм називається керованим колектором струмом . Ця назва зумовлена тим, що чим більше дірок інжектуються емітером у базу, тим їх більша кількість екстрагує до колектора. Отже, струм пропорційний до емітерного струму:

, (3.9)

де - статичний коефіцієнт передачі струму емітера. Оскільки , то .

З формули (3.9) випливає найважливіша властивість БТ: керування вихідним струмом можливе при зміні струму вхідного. У формулі (3.9) вважається, що , тому що електронний струм малий внаслідок слабкої легованості бази.

При деяких напругах на КП , коли в переході виникає явище пробою, коефіцієнт М зростає ( ) і струм буде некерованим.

Через ввімкнений у зворотному напрямі КП протікає дрейфовий струм неосновних носіїв, який називається зворотним струмом колектора . Цей струм проходить від “+” джерела через базу, КП, колектор до “-” . Оскільки напрям цього струму збігається з напрямом керованого колекторного струму , то можна записати для повного колекторного струму БТ у схемі зі спільною базою в активному режимі

, (3.10)

де - некерована складова колекторного струму в ССБ.

З рисунка 3.4 випливає, що загальний струм бази дорівнює

. (3.11)

Струм емітера для транзистора можна знайти, враховуючи, що він має складові та . Додавши і віднявши величину , одержимо

. (3.12)

Враховуючи формули (3.10) та (3.11), з (3.12) нарешті одержимо вираз першого закону Кірхгофа для струмів електродів БТ у довільній схемі ввімкнення:

. (3.13)

З рівнянь (3.13) та (3.10) випливає

. (3.14)

Порівнюючи формули (3.11) та (3.14), можна зробити висновок, що рекомбінаційна складова струму бази

. (3.15)

В активному режимі , тобто напрям базового струму визначається рекомбінаційною складовою.

3.1.4 Вплив конструкції та режиму роботи транзистора на h_21Б

З формули (3.9) при випливає, що

. (3.16)

Оскільки у нормальному режимі роботи транзистора , то статичний коефіцієнт передачі струму емітера

. (3.17)

Для поліпшення керувальних властивостей БТ потрібно збільшувати і, отже, його співмножники та .

Ефективність емітера (коефіцієнт інжекції ) можна підвищити, як це випливає з (3.2), збільшенням і змен­шенням . Це досягається виконанням умови , про що йшлося у п. 3.1.1. При цьому діркова складова емітерного струму значно перевищує електро­нну , і коефіцієнт інжекції досягає величини .

З метою збільшення коефіцієнта перенесення треба згідно з формулою (3.7) зменшити активну ширину бази або збільшити дифузійну довжину . Величину можна збільшити за рахунок зменшення ймовірності рекомбінації дірок, що можна здійснити при слабкому легуванні бази донорними домішками ( мала). Зменшення до величини дозволяє отримати коефіцієнт перенесення = 0,995. На коефіцієнт впливає також співвідношення площ переходів . Чим більше це співвідношення , тим менше дірок розсіюється у базі і тим їх більша кількість потрапляє на КП.

Для сучасних БТ величина статичного коефіцієнта передачі струму емітера .

Значення коефіцієнта залежить також від струму емітера і від напруги .

Графік залежності показаний на рисунку 3.6. В області малих (ділянка I на рисунку 3.6) коефіцієнт інжекції значно менший від одиниці, бо , і більшість дірок, інжектованих через ЕП, рекомбінують у базі з електронами.

Рисунок 3.6 – Залежність від струму емітера

При збільшенні (ділянка II) дифузійні струми зростають швидше, ніж рекомбінаційні, і коефіцієнт перенесення зростає, збільшуючи . При великих струмах емітера (ділянка III) значно зростає інжекційна електронна складова струму емітера за рахунок електронів від джерела . Це приводить до зменшення частки діркового струму через ЕП, зменшується і, отже, коефіцієнт передачі транзистора .

Залежність визначається зміною (моду­ля­цією) товщини бази (рис. 3.7), а також лавинним множенням носіїв у КП під час пробою. При збільшенні товщина запірного шару КП збільшується в напрямі базової області, оскільки . Це супроводжується зменшенням активної ширини бази і, отже, збільшенням коефіцієнта перенесення за формулою (3.7). При деякій напрузі виникає пробій КП, лавинне помно­ження носіїв приводить до збільшення коефіцієнта М. Внаслідок цього, згідно з формулою (3.16), зростає і стає більшим за одиницю коефіцієнт передачі .

Рисунок 3.7 – Залежність від напруги колектора