Физические процессы в транзисторе

Схема включения с общей базой позволяет лучше раскрыть физические процессы, протекающие в транзисторе. Поэтому далее мы рассмотрим бездрейфовый n-p-n-транзистор в активном режиме в схеме с общей базой. Энергетическая диаграмма такого транзистора приведена на рис. 8.2.

Рис.8.2. Энергетическая диаграмма биполярного n-p-n транзистора в активном режиме. E_c – дно зоны проводимости E_v – потолок валентной зоны, Dj_к^эб и Dj_к^эб - контактные разности потенциалов эмиттерного и коллекторного переходов

На эмиттерный переход подают прямое напряжение (U_эб), его величина для транзистора малой мощности обычно составляет несколько долей вольта. Под действием этого напряжения создается внешнее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен навстречу вектора диффузионного (внутреннего) электрического поля эмиттерного перехода. Чем больше напряжение U_эб, тем ниже потенциальный барьер (см. рис. 8.2) в эмиттерном переходе, тем больше носителей заряда (в данном случае электронов) преодолевает его и попадает из эмиттера в базу.

На коллекторный переход подают обратное напряжение. Как известно (см. раздел 5.1.3), при обратном смещении p-n-перехода через него идет ток неосновных носителей. Электроны, инжектированные в p-базу, являются в ней неосновными носителями. Неосновные носители, оказавшиеся вблизи коллекторного перехода, попадают в ускоряющее их электрическое поле коллекторного перехода и втягиваются в коллектор – происходит экстракция неосновных носителей заряда.

Таким образом, неосновные носители в базе распределены неравномерно: их концентрация велика вблизи эмиттерного перехода и мала вблизи коллекторного. Как следствие наличия градиента концентрации возникает диффузия. Перенос неосновных носителей (электронов) через базу в бездрейфовых транзисторах осуществляется посредством диффузии. Инжектированные из эмиттера электроны через базовую область доходят до коллекторного перехода.

Из принципа действия транзистора следует, что ток, текущий через эмиттерный переход I_э, является управляющим током, от величины которого зависит ток в цепи коллектора I_к (I_к – управляемый ток). В идеальном n-p-n транзисторе ток образован только электронами, причем все электроны, инжектированные в базу, доходят до коллекторного перехода (I_э = I_к). Работа реального транзистора характеризуется следующими особенностями.

При малых напряжениях на эмиттерном переходе высота потенциального барьера на переходе еще велика. Тогда многие электроны не смогут преодолеть потенциальный барьер, однако вблизи середины p-n - перехода может происходить их рекомбинация с электронами. Составляющую прямого тока, связанную с процессом рекомбинации носителей в p-n -переходе, называют рекомбинационным током. С ростом напряжения на эмиттерном переходе вклад рекомбинационной составляющей тока уменьшается. Эмиттерный ток образуется не только при движении электронов из эмиттера в базу. Некоторый вклад в него вносят дырки, движущиеся из базы в эмиттер. Вклад дырочной составляющей тока необходимо уменьшать. В базе транзистора происходит рекомбинация инжектированных электронов с дырками базы. Желательно, чтобы эта рекомбинация была незначительна.

Чтобы уменьшить влияние последних двух факторов, уменьшают толщину базы и снижают концентрацию основных носителей (электронов в рассматриваемой структуре) в базе. Это достигается более высокой степенью легирования эмиттера по сравнению с базой.

Площадь коллекторного перехода обычно в несколько раз больше площади эмиттерного перехода, что позволяет коллектору собирать даже те неосновные носители заряда (электроны), которые передвигаются от эмиттера под некоторым углом к оси транзистора. Вывод базы располагают по возможности дальше от эмиттера. Несмотря на эти меры, незначительная часть инжектированных электронов все же доходит до базового вывода и рекомбинирует на нем.

Небольшое изменение тока связано также с рекомбинацией на поверхности кристалла, в объемах эмиттера и коллектора; возможна генерация носителей в коллекторном переходе и т.д.

Коллекторный переход смещается в обратном направлении, на него подается сравнительно высокое (единицы, десятки вольт) по модулю напряжение U_кб. Концентрация примесей (доноров) в коллекторе должна быть меньше, чем в эмиттере, поскольку в этом случае коллекторный переход получается более широким и возрастает его напряжение пробоя.

В результате принятых мер коллекторный ток транзистора в активном режиме примерно равен эмиттерному

, (8.2.1)

а ток базы мал: он значительно меньше как тока коллектора, так и тока эмиттера. Его можно найти, вычитая из эмиттерного тока коллекторный:

. (8.2.2)

Рассмотрим, как происходит усиление в транзисторе при активном режиме его работы.

В схеме с общей базой в выходной (коллекторной) цепи идет практически тот же ток, что и во входной, следовательно, усиление по току в данном случае отсутствует. Однако эта схема дает возможность получить усиление по мощности. Ввод носителей в область базы через эмиттерный переход связан с затратой сравнительно небольшой энергии, так как падение напряжения на эмиттерном переходе невелико. Однако носители, введенные в область базы, попадают затем в коллекторный переход, а оттуда – во внешнюю цепь. Падение напряжения на коллекторном переходе и на включенной последовательно с ним нагрузке значительно больше, чем на эмиттерном переходе. Значит, прохождение носителей через цепь коллектора вызывает отбор от источника питания значительно большего количества энергии, чем было затрачено на введение носителей в базу.

В схеме с общим эмиттером входной цепью является цепь базы, а ток базы существенно меньше тока эмиттера, таким образом, в схеме с общим эмиттером можно получить усиление как по мощности, так и по току.