ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Рассмотрим прежде всего, как работает транзистор, для примера типа п — р — п, в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений E_t и Е₂ (рис. 4,2, а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряже­ния u_бэ понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соот­ветственно возрастает ток через этот переход — ток эмиттера г,. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом пере­ходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со зна­ками « + » и « —». Между ними возни­кает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, при­шедших сюда из эмиттера, т. е. втя­гивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллектор­ного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколь­ко-то дырок исчезает; но столько, же но­вых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника Е_х такое, же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока i_б . Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

i_э = i_к + i_б

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он

был как можно меньше. Обычно i₆ составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать i_K« i_Э. Именно для того, чтобы ток iб был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней кон­центрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не уве­личивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увели­чение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу на­пряжение не приложено, то практи­чески можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область кол­лекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, ко­торые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток кол­лектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает кон­центрация неосновных носителей, ин­жектированных из эмиттера, а чем боль ше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток кол­лектора i_K.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстрак­ция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжекти­руются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и кол­лектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллектор­ный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно мень­шей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмит­тера всегда равен сумме токов кол­лектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока:

Важное свойство транзистора — приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу. Пусть, для примера, i₃ = 10 мА, i_K = 9,5 мА, i₆ = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, напри­мер, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА, то остальные токи возрастут также на 20%; i₆ = 0,5 + 0,1 = = 0,6 мА, i_K = 9,5+ 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т. е. 12 мА = 11,4 мА + + 0,6 мА. Для приращения же токов

справедливо равенство (4.3), т. е. 2 мА = = 1,9 мА + 0,1 мА.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п — р—п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р — п — р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 4.2,6). В транзисторе типа р — п — р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.

Существенно влияет на работу транзисторов сопротивление базы г_б0, т. е. сопротивление, которое база оказывает току базы i₆. (Ноль в индексе здесь означает, что данная величина относится к постоянному току.) Этот ток протекает к выводу, базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллектор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока i_K, ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направле­нии к выводу базы сопротивление базы г_б0 (его называют поперечным) дости­гает сотен ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение u_бэ между выводами базы и эмиттера, так как часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления г₆₀ можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4.4. На этой схеме г_э0 — сопротивление эмиттера, в которое

Рис. 4.4. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение г_э0 у маломощных транзисторов дости­гает десятков ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких тран­зисторах составляет единицы милли­ампер. У более мощных транзисторов i_э0 больше и г_э0 соответственно меньше. Сопротивление г_эо определяется форму­лой (в омах)

где ток i_э выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора г_к0 пред­ставляет собой практически сопротив­ление коллекторного перехода и состав­ляет единицы и десятки килоом. В него входит также сопротивление коллектор­ной области, но • оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис. 4.4 является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади пере­ходов. Тем не менее эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (главным образом результат ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой про­бой коллекторного перехода в транзисто­ре происходит в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе мо­жет возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, т. е. без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопро­вождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особен­но надо учитывать при повышении напряжения коллектор — база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшает­ся. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) — соединение коллекторного пере­хода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и сум­марного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием неосновных носителей заряда в базе.

В ряде случаев необходимо учиты­вать протекание по поверхности тран­зистора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхност­ном слое областей транзистора.

Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током i_Kynp. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

где а — коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе а к 1. Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток i_k0 (рис. 4.5), называемый еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

Во многих случаях можно считать, что . Если надо измерить i_K0, это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при ток i_K = i_K0.

Преобразуем выражение (4.6) так чтобы выразить зависимость тока i_K от тока базы i_б.Заменим i_э суммой i_K + i_K0.

Окончательно

Следует заметить, что коэффициент, α не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах α уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. в пределах рабочих значений тока эмиттера изменяется сравнительно мало.

Коэффициент изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент α. При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.

Ток i_к._э0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба п — р-перехода) в том слу­чае, если i_,, = 0, т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при i₆ = 0 получаем i_K = i_кэ0- Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора i_K0 Ток 1_к._э0 = = i_Ko/(1-a) и зная, что а/(1 — а) = , нетрудно найти i_KЭ0 = ( + 1) i_K0. А так как , то

Сравнительно большой ток i_KЭO объясняется тем, что некоторая часть напряжения и_к._э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения u_к._э ток i_к__э0 резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если u_к._э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения u_к._э, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает токи равный ему ток i_K, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток /_к._э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.

УСИЛЕНИЕ

С ПОМОЩЬЮ ТРАНЗИСТОРА

На рис. 4.6 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа п — р — п. Принято данную схему называть схемой с общим эмиттером (см. § 4.4), так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы. Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база — эмиттер. На базу подано также положи­тельное смещение, от источника Е1 яв­ляющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а, следовательно, входное сопротивление тран­зистора получается сравнительно небольшим. Чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е1, он зашунтирован конденсатором достаточно большой емкости C1. Этот конденсатор на самой низкой рабочей частоте должен иметь сопротивление, во много раз меньшее входного сопротив­ления транзистора.

Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е₂. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка R_H. Источник Е₂ зашунтирован конденсатором С₂ для того, чтобы не было потери части выходного усиленного на­пряжения на внутреннем сопротивлении источника Е₂. На самой низкой частоте сопротивление этого конденсатора долж­но быть во много раз меньше R_H. В дальнейшем для упрощения схем конденсаторы С₁ и С₂ не всегда будут показаны. Можно считать, что они име­ются внутри самих источников Е₁ и Е₂. Если эти источники являются выпрями­телями, то в них всегда есть конденса­торы большой емкости для сглаживания пульсаций.

Работа усилительного каскада с тран­зистором происходит следующим обра­зом. Изобразим коллекторную цепь в виде эквивалентной схемы (рис. 4.7). Напряжение источника Е₂ делится между сопротивлением нагрузки R_H и внутренним сопротивлением транзистора г₀, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление прибли­женно равно сопротивлению коллек­торного перехода г_к0 для постоянного тока. В действительности к сопротив­лению г_к0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также п- и р-областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода г_к0. Тогда напряжение источника Е₂ будет перераспре­деляться между R_H и г_к0. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десят­ки раз большим, чем входное пере­менное напряжение. Изменения тока кол­лектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше из­менений тока базы. Поэтому в рас­сматриваемой схеме получается значи­тельное усиление тока и очень боль­шое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е₂.

Для большей наглядности рассмотрим работу усилительного каскада с транзистором на числовом примере. Пусть питающие напряжения Е_х = 0,2 В и Е₂ = 12 В, сопротивление резистора нагрузки R_H = 4 кОм и сопротивление транзистора г₀ при отсутствии колебаний на входе также равно 4 кОм, т. е. полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда ток коллектора, который можно приближен­но считать равным току эмиттера, составляет i_K = E₂/(R_H + r₀) =12:8 = = 1,5 мА. Напряжение Е₂ разделится пополам, напряжение на R_H и на r₀ будет по 6 В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0.1 В, то максимальное напряжение на участке база — эмиттер при положительной полуволне становится равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастает до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создаст на резисторе нагрузки падение напряжения 2,5-4 = 10 В, а падение напряжения на сопротивлении r₀ транзистора уменьшится до 12—10 = 2 В. Следовательно, это сопротивление уменьшится до 2:2,5 = 0,8 кОм. Через полпериода, когда источник колебаний даст напряжение, произойдет обратное явление. Минимальное напряжение база — эмиттер станет 0,2-0,1 = 0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшатся до 0,5 мА. На резисторе R_H падение напряжения уменьшится до 0,5 • 4 = 2 В, а на сопротивлении г₀ оно возрастет до 10 В; следовательно, это сопротивление увеличится до 10:0,5 = 20 кОм.

Таким образом, подача на вход транзистора перемен­ного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение сопротивления г₀ от 0,8 до 20 кОм, и при этом напря­жения на резисторе нагрузки и на транзисторе изменяются на 4 В в ту и другую сторону (от 10 до 2 В). Следовательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т. е. оно в 40 раз больше входного напряжения. (Этот числовой пример является приближенным, так как на самом деле зависимость между током коллектора и входным напряжением нелинейна.)

Колебания напряжений и токов для рассмотренного примера показаны графиками на рис. 4.8