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 6.4 – Струми 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 6.7 – Залежність 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 .