Характеристики транзистора, увімкненого за схемою із спільною базою (СБ).

Принцип дії.

При запірній полярності струм переходу визначається неосновними носіями наявними в напівпровіднику праворуч і ліворуч від переходу

Якби ми мали змогу змінювати концентрацію цих неосновних носіїв, ми одержали б засіб керування величиною струму через запертий перехід. Так, наприклад, вводячи ззовні дірки в електронну область (рис.З.І) можна було б збільшувати струм через закритий перехід. При цьому, в міру зростання кількості інжектованих дірок, струм насичення ставав би все більшим і більшим (рис.3.2).

Таку інжекцію можна реалізувати в системі, зображеній на рис.3.3. Система ця має назву біполярного транзистора.

Такий транзистор складається з двох переходів, причому по кінцях знаходяться -області, а в середині - -область. Полярність джерел живлення є такою, щоб лівий (1) перехід був відкритий, а правий (2) - закритий. Будемо вважати, що діркові області леговані досить сильно, значно сильніше за електронну, так що остання є базою по відношенню до області , яку надалі називатимемо емітером. Область має назву колектора.

Дірки, що інжектуються з емітера у базу будуть там неосновними носіями і концентрація їх залежить від величини емітерного струму .Тим самим реалізується бажаний для нас спосіб керування концентрацією неосновних носіїв в базі. Дірки, що потрапили у базу, дифундують у напрямі до правого, базово-колекторного переходу і досягнувши його, екстрагуються у колектор, утворюючи колекторний струм .

Колекторний струм тепер складається з двох компонент:

- некерованого струму , який завжди притаманний закритому переходу і існує також у відсутності емітерного струму.

- керованої компоненти колекторного струму, яка пропорційна струму емітера, отже

(3.1).

Оскільки потік дірок, що екстрагуються з бази, не може перевищувати потік дірок інжектованих до неї, то коефіцієнт буде завжди меншим від одиниці, хоча й може наближатися до неї. Ясна річ, що для ефективного керування колекторним струмом бажано, щоб коефіцієнт був за величиною можливо більшим. Для цього потрібне виконання двох умов:

І) При своєму русі через базу дірка може зустрітися з вільним електроном і прорекомбінувати з ним. Для зменшення втрати дірок на шляху до колектора потрібно, щоб середній час їх дифузії через базу був значно менший середнього часу їх рекомбінації. Досягти цього можна зменшенням товщини бази та зниженням в ній концентрації основних носіїв (електронів). У сучасних транзисторах товщина бази становить частки мікрона, а легування створює в ній електронну провідність, яка лише ненабагато перевищує її власну.

В результаті лише мала частка дірок, які дифундують крізь базу, зазнають на своєму шляху рекомбінацію. Відповідно малим буде і базовий струм , оскільки він створюється електронами, які надходять у базу на заміну тих, що прорекомбінували з дірками. Цілком очевидно, що струм бази є

(3.2)

2) Струм через емітерний перехід повинен складатися переважно з дірок, які йдуть з емітера, а не з електронів, які йдуть з бази. Дійсно, електронна компонента емітерного струму не приймає участі в створені колекторного струму, а лише зменшує величину . Зменшити відносний внесок електронної компоненти у емітерний струм можна збільшенням легування емітера та зниженням ступеню легування бази.

Виконавши обидві ці вимоги, тобто зробивши базу тонкою та слабколегованою,а емітер сильнолегованим, можна досягти значень близьких до одиниці. У більшості сучасних транзисторів значення лежать в межах від 0.9 до 0.995.

Описаний транзистор має назву біполярного, оскільки в проходженні струму приймають участь області з двома типами провідності. Умовне позначення біполярного транзистора зображено на рис.3.4.

.

Характеристики транзистора, увімкненого за схемою із спільною базою (СБ).

Основні, найбільш важливі для практики співвідношення струмів та напруг в транзисторі описуються сім’єю характеристик - вхідних та вихідних. Нижче ми розглянемо характеристики транзистора, увімкненого за схемою, зображеною на рис.3.3, коли напруги на колекторі та емітері відраховуються від бази, потенціал якої вважається рівним нулю. Таке увімкнення називається увімкненням із спільною базою і скорочено позначається абревіатурою СБ.

Сім’я вихідних характеристик зображає залежність колекторного струму від колекторної напругидля ряду значень емітерного струму (рис.3.5). За виглядом та за змістом ця сім’я подібна до зображенної на рис.3.2. Різниця лише в тому, що відповідно з загальноприйнятими правилами ці криві побудовані не в третьому, а в першому квадранті, а під величинами та розуміють їх абсолютні значення.

У відсутності емітерного струму через колекторний перехід тече малий струм який не залежить від напруги і відповідав струму на рис.3.2 або рис.1.5. При наявності емітерного струму струм колектора майже дорівнює йому, залишаючись, однак завжди трохи меншим від . 3 першого погляду здається ніби характеристики йдуть горизонтально, насправді ж, із збільшенням колекторної напруги, вони мають слабкий приріст. Справа в тому, що із збільшенням колекторної напруги товстішає збіднений шар на колекторному переході. Це потовщення відбувається в основному в бік, слабше легованої бази, так що ефективна товщина бази - від емітерного переходу до краю збідненого шару -дещо зменшується (рис.3.7). Це явище зветься модуляцією товщини бази або ефектом Ерлі. В результаті цього ефекту дірки, які дифузійно рухаються в бік колектора, досягають його за менший час і частка дірок, що зазнали рекомбінації, зменшується. Наслідком є деяке зменшення базового струму і відповідне збільшення струму колектора. Через виниклу залежність диференціальний опір переходу в робочій області колекторних струмів виходить хоч і великим (порядку 10⁵-10⁶ Ом), проте скінченним. Омічний опір менший від диференціального - для характеристик, зображених на рис. 3.5 омічний опір складає кілька кілоомів.

Вхідна характеристика для =0 (рис.3.6) зображає просто вольтамперну характеристику відкритого переходу. Починається вона не з нульового значення , а з деякої початкової напруги , яка дорівнює 0.1-0.2 В для германієвих транзисторів та 0,5-0,7 В для кремнієвих. Далі емітерний струм зростає майже екопоненціально.

Вхідні характеристики для >0 розташовані лівіше від нульової. Причина тому - знову ж таки модуляція товщини бази. Дійсно, із зростанням колекторної напруги та скороченням ефективної товщини бази, збільшується градієнт концентрації неосновних носіїв у базі, що спричиняє більш інтенсивне "витягування" їх на колектор. Із зростанням вхідні характеристики густішають, зливаючись докупи для великих . Ось чому в довідниках наводять звичайно дві криві: одну для = 0, а другу - граничну - для великих значень колекторної напруги; всі інші характеристики лежать між ними. Вхідний опір транзистора, увімкненого за схемою СБ - це диференціальний опір відкритого переходу. Вхідний опір визначається формулою (І.4) і за порядком величини знаходиться в межах одиниць або десятків Ом.

.

3.3. Підсилення сигналів за допомогою транзистора.

Сам транзистор, увімкнений за схемою СБ є не підсилювачем, а лише повторювачем струму: прирости струму у колекторному колі не можуть перевищувати відповідних приростів струму у колі емітера:

, де < 1.

Але транзистор здатний бути підсилювачем напруги та потужності. Для цього його потрібно навантажити, тобто увімкнути в його вихідне коло навантажувальний опір (рис.3.8). Оскільки як диференціальий. так і омічний опір колекторного переходу звичайно досить великі, то і навантажувальний опір також може бути значної величини. Приріст виходної напруги на ньому виявляється рівним

У свою чергу, приріст емітерного струму можна записати так:

де: -приріст вхідної (емїтерної) напруги, - диференціальий вхідний опір транзистора.

Відношення до є коефіцієнтом підсилення напруги і дорівнює

(3.3)

Для прикладу припустимо, що =2 кОм, =20 Ом. Тоді коефіцієнт підсилення дорівнюватиме 100. Таким же буде і коефіцієнт підсилення по потужності, оскільки .