Физические процессы, протекающие в VT. Токи VT.

Рассмотрим, прежде всего, как работает VT, для примера типа p – n – p, в активном режиме, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е₁ и Е₂. Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е₂ обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 2.1 видно, что напряжения между электродами VT связаны простой зависимостью

U_кэ = U_кб + U_бэ (2.1)

ВАХ эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе. А ВАХ коллекторного перехода подобна характеристике диоде при обратном токе.

Принцип работы VT заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т.е. участка Б – Э (U_бэ), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменение тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение U_бэ, т.е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление эл. колебаний с помощью VT основано именно на этом явлении.

Физические процессы в VT происходят следующим образом. Рассмотрение процессов, протекающих в VT, начнем со случая, когда подано напряжение только на коллекторный переход, а источник эмиттерного напряжения отключен с помощью ключа К (рис. 2.1, б). В этом случае эмиттерный переход находится в равновесном состоянии (I_диф = I_др), а в коллекторном переходе I_диф = 0 и поэтому через переход и в цепи К будет протекать малый обратный ток I_кбо, равный дрейфовому (тепловому) току.

Рис.2.1 Токи в транзисторе при подключении источника:

а - только коллекторного; б - только эмиттерного и при соединенииколлектора с базой; в - эмиттерного и коллекторного

Рассмотрим второй случай: коллекторное напряжение = 0 (коллектор соединен с базой), а на эмиттерный переход подано прямое напряжение (рис. 2.1, б). В данном случае потенциальный барьер в эмиттерном переходе понизится и через переход потечет значительный ток диффузии

I_диф = I_дифр + I_дифn. Встречным дрейфовым током можно пренебречь, т.к. он намного меньше тока диффузии. Дырочная и электронная составляющие тока диффузии неодинаковы: I_дифn << I_дифp, т.к. из – за низкой концентрации основных носителей заряда в базе градиент концентрации свободных электронов в направлении Б – Э намного меньше градиента концентрации дырок в направлении Э – Б.

Итак, ток эмиттера – это ток диффузии, состоящий из значительной дырочной составляющей и малой электронной составляющей:

I_э = I_эр + I_эn. Из – за ухода свободных электронов из базы в эмиттер в результате диффузии база зарядится положительно. Это значит, что потенциал базы станет выше потенциала соединенного с ней проводника. Под действием этой разности потенциалов из соединительного проводника в базу будут поступать электроны. Т.о., электронная составляющая I_эn тока эмиттера замыкается через базовый вывод и поэтому является одной из составляющих тока базы. Электронная составляющая тока эмиттера в рассматриваемом VT структуры p – n – p является бесполезной, т.к. она не участвует в создании управляемого тока коллектора. Чем меньше эта составляющая, тем выше эффективность эмиттера, оцениваемая коэффициентом инжекции:

γ = I_эр / (I_эр + I_эn) = I_эр / I_э ≈ 1 – ρ_э/ρ_б (2.2)

Обычно ρ_б на 2 – 3 порядка больше ρ_э и значение γ близко к 1 (γ = 0,998..0,999).

Дырки, перешедшие в результате диффузии из эмиттера в базу (инжекция), продолжают диффундировать в базе в сторону коллектора, поскольку их концентрация вблизи коллектора меньше, чем около эмиттера. Так как толщина базы очень мала (10…25 мкм) и концентрация свободных электронов в ней низкая, то 95…99% перешедших из эмиттера дырок не успевают рекомбинировать в Б. Они достигают коллекторного перехода и как неосновные носители перебрасываются полем этого перехода в коллектор (экстракция), образуя управляемый ток коллектора I_к. Влияние рекомбинации дырок в базе на ток коллектора характеризуется коэффициентом переноса дырок через базу χ, равным отношению той части дырочной составляющей тока эмиттера, которая дошла до коллекторного перехода, к дырочной составляющей тока эмиттера, поступившей из эмиттера в базу χ=I_Кр/I_Эр. Согласно теории транзисторов коэффициент переноса:

,

где W - толщина базы,

L_рб - диффузионная длина пробега дырок в базе.

Коэффициент переноса имеет значения, близкие к 1. Произведение коэффициентов инжекции и переноса называется интегральным (статическим) коэффициентом передачи тока эмиттера:

.

Поскольку коэффициенты γ и χ меньше единицы, α_u тоже меньше единицы (0,95…0,98). Дырки, успевшие рекомбинировать в Б, вносят в неё положительный заряд. Для компенсации этого заряда в базу из соединительного проводника поступит соответствующее число электронов. Таким образом, примерно 2…5% дырочной составляющей I_Эр тока эмиттера замыкается через цепь базы, образуя вторую, рекомбинационную I_Эрек составляющую тока базы.

Итак, при наличии прямого напряжения на эмиттере и коллекторном напряжении, равном нулю, в цепи коллектора протекает ток, почти равный току эмиттера:

.

Если теперь, оставив включенным эмиттерный источник Е₁, подать напряжение на коллектор (третий случай), то под действием коллекторного напряжения повысится потенциальный барьер в коллекторном переходе и ток диффузии в этом переходе станет равным нулю. В результате через коллекторный переход будет протекать еще малый обратный ток I_КБ0 (рис. 3,в), как в первом случае. Таким образом, ток коллектора:

.

Ток I_КБ0 является третьей составляющей тока базы. Причем эта составляющая направлена навстречу составляющим I_Эп и I_Эрек, т.е. вычитается из них:

Выводы:

1. Под действием прямого напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, потенциальный барьер понижается и в базе диффундируются (инжектируются) дырки.

2. Инжектированные в Б дырки диффундируют в сторону коллекторного перехода.

3. Т.к. база очень тонкая и концентрация основных носителей заряда - свободных электронов - в ней низкая, почти все инжектированные в Б дырки достигают коллекторного перехода и перебрасываются полем этого перехода в коллектор, образуя управляемый ток коллектора.

4. Небольшая часть инжектированных дырок, успевшая рекомбинировать в Б, образует рекомбинационную составляющую тока эмиттера I_Эрек, замыкающегося через цепь базы.

5. Через цепь базы замыкается также небольшая электронная составляющая тока эмиттера I_Эп, образованная диффузией свободных электронов из базы в эмиттер, и обратный ток коллекторного перехода I_КБ0. Последний направлен навстречу составляющим I_Эп и I_Эрек.

По рекомендованной 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 транзисторе, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный, т.к. мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая 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 (транзистор в этом случае называется симметричным), 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 токов коллектора и базы:

.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа p-n-p. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа n-p-n, но в нем меняются ролями дырки и электроны, а также изменяются полярности напряжений и направления токов. В транзисторе n-p-n типа из эмиттера в базу инжектируются не дырки, а электроны, которые являются для базы неосновными носителями заряда. С увеличением тока эмиттера больше таких электронов протекает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, приведенной на рис. 4 для транзистора типа n-p-n. Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение U_бЭ, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогичные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

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

Существенно влияет на работе транзисторов базы r_бо, т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы i_б (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_к, ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы r_бо (его называют поперечным) достигает сотен Ом, т.к. в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение U_бэ, между выводами базы и эмиттера, т.к. часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления r_бо можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис.5. На этой схеме r_эо - сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение r_эо 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 мА. У более мощных транзисторов i_эо больше и r_эо соответственно меньше. Сопротивление r_эо определяется формулой:

, [Ом],

где i_э - ток эмиттера в мА.

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

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (из-за ударной ионизации). Это явление и тунельный 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.

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

Обозначим: и - начальный сквозной ток, если I_б=0.

,

где β - коэффициент передачи тока Б, он составляет несколько десятков.

При эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если включено питание в цепи коллектора. Надо также сначало включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Т.к. часть напряжения U_КЭ, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток I_Э и равный ему ток I_К, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение уменьшается, и за счёт этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к ещё большему возрастанию тока I_Э и.т.д.