6.1.3 Принцип дії біполярного транзистора в активному режимі

 

                Принцип дії БТ розглянемо на прикладі схеми зі спільною базою (ССБ), яку показано на рисунку 6.4.   

Рисунок 6.4Струми в БТ, то працює  в активному режимі

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

                При полярності напруги , що показано на рисунку 6.4, дірки з емітера інжектують до бази, а електрони – з бази до емітера, оскільки ЕП увімкнено в прямому напрямі. Через ЕП проходять емітерні струми: дірковий  та електронний . Отже, в зовнішньому колі проходить емітерний струм

.                                   (6.1)

                Співвідношення між складовими струму  оцінюється коефіцієнтом інжекції

                                      (6.2)

                Унаслідок інжекції концентрація дірок у базі біля ЕП підвищується до величини , яку можна визначити за             формулою (2.8)

,                                                     (6.3)

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 межа ЕП відповідає випадку х=0, а межа КП – х =. При х=0 концентрація дірок визначається за формулою (6.3). Концентрацію дірок у базі біля КП () знаходять за виразом

.                                                    (6.4)

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

                                     (6.5)

розв’язання якого за граничних умов (6.3) та (6.4) при  має вигляд

.                                               (6.6)

                З формули (6.6) випливає, що градієнт концентрації неосновних носіїв у базі є величиною постійною стосовно координати х, тобто розподіл концентрації дірок у базі має лінійний характер (рисунок 6.5). З цього рисунка та формул (6.3) і (6.6) 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 .

                        

             Рисунок 6.5 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ, що

                                       працює  в  активному режимі

 

                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,

,                                               (6.7)

який визначає 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 зворотній напрузі ). Дірки, що потрапили в колектор унаслідок екстракції (при малих ) або ударної    іонізації,   порушують  електричну нейтральність області,

 і це викликає приплив електронів від джерела , тобто проходження в зовнішньому колі колектора струму . Процес помноження носіїв у КП оцінюється коефіцієнтом помноження колекторного струму

.                                                      (6.8)

                Важливо запам’ятати, що за нормальної роботи БТ М=1,  струм   називається керованим колектором струмом . Ця назва зумовлена тим, що чим більше дірок інжектуються емітером до  бази, тим  більша їх  кількість екстрагує до колектора. Отже, струм  пропорційний до емітерного струму

,                                             (6.9)

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

                З формули (6.9) випливає найважливіша властивість БТ: керування вихідним струмом можливе при зміні струму вхідного. З формули (6.9) означає, що , тому що електронний струм  малий внаслідок слабкої легованості бази.

                При деяких напругах на КП , коли в переході виникає явище пробою, коефіцієнт М зростає (М>1) і струм  буде некерованим.

                Через увімкнений у зворотному напрямі КП проходить 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 в схемі зі спільною базою в активному режимі

    ,                           (6.10)

де - некерована складова колекторного струму в ССБ.

                З рисунка 2.4 випливає, що загальний струм бази дорівнює

        .                  (6.11)

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

                                      (6.12)

                Враховуючи формули (6.10) та (6.11), з (6.12) врешті одержимо вираз першого закону Кірхгофа для струмів електродів БТ у довільній схемі ввімкнення:

.                                            (6.13)

 

                З рівнянь (6.13) та (6.10) випливає     

 

.                                (6.14)

 

                Порівнюючи формули (6.11) та (6.14), можна зробити висновок, що рекомбінаційна складова струму бази

.                                                (6.15)

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

 

1.1.4            Вплив конструкції та режиму роботи транзистора на .

З формули (6.9) при  випливає, що

.                             (6.16)

                Оскільки у нормальному режимі роботи транзистора М=1, то статичний коефіцієнт передачі струму емітера

 

                  .                                                            (6.17)

 

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

                Ефективність емітера (коефіцієнт інжекції ) можна підвищити, як це випливає з (6.2), збільшенням  і зменшенням . Це досягається виконанням умови , про що говорилось у п.6.1.1. При цьому діркова складова емітерного струму  значно перевищує електронну   і коефіцієнт інжекції досягає величини =0,995. 

            З метою збільшення коефіцієнта перенесення  треба згідно з формулою (6.7), 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  більша їх 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 6.6. В області малих  (ділянка I на рисунку 6.6) коефіцієнт

інжекції  значно менший за одиницю, бо , і більшість дірок, інжектованих через ЕП, рекомбінують у базі з електронами.

Рисунок 6.6 – 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 джерела . Це приводить до зменшення частки діркового струму через ЕП, зменшується  і, отже, коефіцієнт передачі транзистора .

                Залежність  визначають зміною (модуляцією) товщини бази (рисунок 6.7),  а   також лавинним     множенням   носіїв

 

                        

Рисунок 6.7Залежність  від напруги колектора

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 (6.7). При деякій напрузі  виникає пробій КП, лавинне помноження носіїв приводить до збільшення коефіцієнта М. Внаслідок цього, згідно з формулою (6.16), зростає і стає більшим за одиницю коефіцієнт передачі .